全 文 ： Marine Sciences / Vol. 38, No. 5 / 2014 121
条斑紫菜分子生物学研究现状
Molecular biology research status of Porphyra yezoensis
沈颂东
(苏州大学 医学部基础医学与生物科学学院 细胞生物学系, 江苏 苏州 215123)
中图分类号: S96 文献标识码: A 文章编号: 1000-3096(2014)05-0121-05
doi: 10.11759/hykx20130930001
条斑紫菜(Porphyra yezoensis Ueda)隶属于红藻
门 (Rhodophyphyta), 原红藻纲 (Protoflorideophyceae),
红毛菜目 (Bangiales), 红毛菜科 (Bangiaceae), 紫菜
属(Porphyra)。紫菜属的种类分布广泛, 目前已报道
的种类约有 130 多种[1]。我国记录定名的紫菜物种
或变种有 22种[2]。条斑紫菜为北太平洋西部特有的
种类 , 主要分布于我国黄、渤海和东海北部沿岸 ,
以及日本列岛和朝鲜半岛沿岸, 是中、日、韩三国
共同栽培的种类。紫菜是重要的经济海藻, 目前全
世界其栽培年产值为 20 亿美元, 约占整个海藻产
业的 2/3。我国是紫菜栽培生产的重要国家, 2010年
度的栽培量按国际标准计算达 200亿枚(每枚为 3g),
其中江苏省生产出来的条斑紫菜就达到 32 亿枚。
世界各国的学者对紫菜的生物学进行了较多的研
究, 现综述如下。
1 条斑紫菜生活史
条斑紫菜(P. yezoensis)具有异形的世代交替, 即
宏观可见的叶状孢子体世代和微观的丝状孢子体世
代交替出现完成其复杂的生活史转变过程。从仅有
几百个细胞所组成的幼小叶状体开始, 由顶端细胞
不断转化为单孢子囊, 形成、放散单孢子。单孢子为
单倍体, 所萌发生成的叶状体仍为单倍体。条斑紫菜
雌雄同株 , 精子囊器淡黄色 , 呈条纹状混夹在深红
色的果孢子囊中, 整个生殖器官在叶的末梢端形成
明显的深紫和淡黄色相间的条斑状。其中精子囊器
有 128 个或 64 个精子囊 , 为♂A4B4C8, 也有♂
A2B4C8, 果孢子囊为 16 个果孢子 , 分裂式为♀
A2B2C4。丝状体为二倍体阶段, 成熟发生的壳孢子仍
为二倍体 , 壳孢子萌发时经减数分裂形成叶状体 ,
染色体数目 n=3(图 1)[2]。

图 1 条斑紫菜的生活史

2 紫菜的分子生物学研究
对紫菜属物种开展分子生物学研究早在 1993年
就已经开始了[3]。主要包括对 DNA多态性进行的分
子标记研究; 对特定的功能进行的基因组学研究和
功能基因组学研究。主要目的是测定基因序列以鉴
定物种 , 确定物种之间的亲缘关系 , 关注这些研究
的主要是遗传学和分类学研究者。Stiller等[3]对太平

收稿日期: 2013-07-22; 修回日期: 2013-12-11
基金项目: 国家自然科学基金项目(41276134)
作者简介: 沈颂东(1968-), 男 , 安徽合肥人 , 教授 , 研究方向: 藻类
学, E-mail: shensongdong@suda.edu.cn
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洋东北部一个新种 P. rediviva的核糖体小亚基 rRNA
基因序列(small subunit rDNA, SSU rDNA)以及位于
核糖体大小亚基 B/E-基因序列之间的间隔序列
(internal transcribed spacer, ITS)进行 RFLP研究, 并
与其他几种紫菜进行比较分析后认为该新种与北大
西洋的另一种紫菜 P. purpurea有很近的亲缘关系。
通过国内外对紫菜属海藻分子标记技术研究获
得的结果可以发现在紫菜属中具有丰富的遗传多样
性, 可以在今后的物种选育中作为很好的良种来源
开展遗传育种工作。这些遗传多样性不一定表现于
形态的多样性, 不同种紫菜间具有很接近的外部形
态往往是由于平行演化造成的非同源性相似, 这对
紫菜的系统分类乃至种系发生研究都颇具迷惑性。
Niwa 等[4]同时运用形态分类方法和 RFLP 技术对 1
种可能属于甘紫菜但尚未确定的野生个体进行鉴定
分类, 两种结果表明该野生个体属于甘紫菜, 基于
SSU rDNA和 ITS序列的 PCR-RFLP分析结果还表明
与条斑紫菜相比具有较远的遗传距离。Niwa的研究
表明紫菜系统分类仅依靠外部形态特征是不够的 ,
而将形态与DNA分析两种手段相结合则可以较好的
解决以上问题。He等[5]运用 AFLP(amplified fragment
length polymorphism)技术对来自同一个丝状体的两
种叶片, 由壳孢子萌发出来的 40 株和单孢子形成的
88 株, 进行了电泳条带的比较, 发现同一个来源的
后代遗传相似度不高 , 说明它们之间发生了杂交 ,
单孢子苗的多态性位点的比例高达 98.6%, 超过壳
孢子苗的 80.7%; 而平均遗传相似度单孢子苗为 0.61,
低于壳孢子苗的 0.71。
通过测定核酸一级结构中核苷酸序列组成来比
较同源分子之间相关性的方法称为核酸序列分析方
法。分子系统学研究中常使用的基因组有三种: 叶绿
体基因组、线粒体基因组、核基因组。Shivji[6]在 20
世纪 90 年代初构建了条斑紫菜叶绿体基因组图谱
并对其结构作了报道, Reith[7]构建了 P. purpurea 的
叶绿体基因组图谱, 发现有 46％的基因为陆生植物
所不具备。但由于技术要求以及耗费较大, 目前测序
主要集中在 rbcL、ITS等一些小片段。近年来, 随着
DNA 测序技术的迅速发展和日益普及, DNA 测序
在遗传多样性的研究中正在起着越来越大的作用。
Yang 等[8]运用最新的 Solexa 测序技术对条斑紫菜
的转录组进行了大规模的测序, 获得了大量的新基
因; 牛建峰等[9] 对条斑紫菜(P. yezoensis)进行 Solexa
高通量测序, 获得低覆盖度全基因组草图。该基因组
草图大小约 220 Mbp, GC 质量分数 53.08%; 包含
26 629 个预测基因, 其中 16 409个基因具有内含子,
平均每个基因含 2.22 个内含子; 基因结构分析表
明具有内含子的基因平均长度为 2 214 bp, 内含子
平均大小 319 bp; 代谢通路分析表明嘌呤代谢是含
有蛋白数量最多的代谢途径。这些工作为以后开展
功能基因的研究提供了丰富的研究素材。
2011年 Shen等[10]利用基因抑制消减杂交(SSH)
技术对条斑紫菜配子体和孢子体基因表达谱差异进
行了研究。结果表明, 选择果孢子替代丝状壳孢子作
为配子体的材料, 并从相同的叶状体上培养营养细
胞(配子体)和果孢子(孢子体)细胞, 这样能将样品间
的差异减少到最低。测序后得到相应克隆的
EST(Expressed sequence tag)序列, 共有 360 个序列
已全部提交 NCBI。果孢子的 181 个 EST 序列号为
HS572581- HS572762, 营养细胞的 179个 EST序列
号为 HS572763- HS572942。将 EST进行 BLAST分
析显示, 共有 196 条基因, 其中果孢子细胞有 92 条,
营养细胞有 104条。GO注释显示孢子体基因主要定
位在细胞质和细胞核(58%); 而配子体基因主要定位
在质体、高尔基体、核糖体和内质网上。营养细胞
主要的生物学功能与 DNA 复制/修复、碳水化合物
代谢、物质转运和转录, 特别是对热激和对氧化性的
应激方面 ; 孢子体世代同样表达这些代谢过程 , 尤
其在信号转导、DNA 和蛋白质修饰和蛋白质和核苷
酸代谢方面。根据 GO 注释的结果发现孢子体世代
倾向于生长和自我保护; 而孢子体世代在发育上更
积极。
He 等[11]对条斑紫菜孢子体和配子体的 MicroR-
NAs进行了比较分析, 测序得到的 14个 miRNAs中
只有一个在两个世代中同时出现 , 几个新的
miRNAs 和其他生物没有同源性, 说明紫菜中可能
存在复杂的小 RNA形成系统。
对于紫菜属的功能基因研究目前正处在蓬勃发
展的阶段, 由于在紫菜中转入外源基因来进行表达
存在一定的困难, 王金锋等[12]尝试将外源基因用玻
璃珠法转入坛紫菜果孢子中, 但是要将外源基因稳
定表达出来还有很长的路要走。目前主要从紫菜中
获得已知功能的基因在原核生物或者酵母、衣藻等
真核生物中表达, 以确定其功能。Wang等[13]就是从
条斑紫菜中获得海藻糖 6 磷酸合成酶基因转移到大
肠杆菌中表达。Wu等[14]测定了条斑紫菜不同生活周
期中的 7 个管家基因的表达水平, 通过检测这些基
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因的绝对表达量, 发现 GAPDH 的表达量最为稳定
适合作为检测基因表达量的内参基因。张宝玉等[15]
克隆了条斑紫菜 alternative oxidase (AOX) 的全长基
因, 共 1650 bp, ORF为 1332 bp, 编码 443个氨基酸。
通过 qPCR 检测了该基因在生活史个阶段的表达水
平, 发现丝状体阶段的 AOX表达量显著高于叶状体
阶段。
功能基因的研究急待加强
核糖体 RNA 基因(rDNA)存在于所有的生物中,
由一些高度重复序列组成、并有转录活性的多基因
家族 , 它在真核细胞中有几十甚至数千个拷贝 , 在
植物总 DNA中约占 10%。rRNA基因在真核生物中
是高度保守的, 它以 18S rDNA(small subunit, SSU)、
5.8S rDNA和 28S rDNA(large subunit, LSU)顺序串联,
组成一个基因簇 , 彼此被内转录间隔区 (internal
transcribed spacer, ITS)序列分开, 而转录单元之间
被基因间间隔区(intergenic spacer, IGS)序列间隔区
分开。真核生物 rDNA 基因簇结构如模式图所示(图
2)。在每个重复片段中, 两个内部转录间隔区 ITS1
和 ITS2 将 18S、5.8S 和 28S 分隔开。18S rDNA 上
游含有一个外转录间隔区(ETS), 在 ITS和 ETS中含
有 rDNA 前体加工信息, 相邻的重复片段之间为非
编码区 IGS 隔开, IGS 中有促转录的增强子, 在转
录时有启动和识别的作用[16]。

图 2 植物 18S~28SrDNA的基本结构示意图

rRNA 的生物学功能在不同的物种中保持一致,
成为分子进化的忠实尺度, 消除了趋同进化和趋异
进化所引起的系统误差。在进化速率上, 编码区比较
保守, 可在种、属、科、目、水平上用于不同生物种
的比较。18S rDNA和 28S rDNA基因的 3′端是高度
保守的, 即使在原核与真核生物之间也能建立位点
同源性。其中, 18S比 28S基因更保守, 5.8S基因仅
有 160个左右的碱基, 最为保守。18S rDNA和 28S
rDNA 基因是系统发育中种及种以上阶元的良好标
记。rDNA序列由于在不同生物之间既有高度的保守
性 , 又存在一定的序列变异性 , 已经成为生物分子
鉴定和定量检测中最常用的分子指标[17-18]。
18S rDNA 是唯一具有信息分子和功能分子两
种作用的编码核糖体的基因 , 为高度重复序列 , 约
800~10000拷贝, 在细胞内连续排列。同时 18S rDNA
基因序列结构、功能十分保守, 若它们的序列存在变
异就能成为一种稳定的 DNA标记, 用于鉴别物种。
由于 18S rDNA 区高度保守, 主要适合科及以上阶元,
而 18S rDNA 的全序列相对较小, 更适合 PCR 扩增
和测序, 因此已被广泛的应用于藻类的分子系统学研
究[19-20], 解决了许多疑难海洋藻类的分类鉴定问题。
由于核糖体大亚基基因 28S rDNA 具有高度可
变区序列, 能为设计 PCR 引物或探针提供特异性强
的序列, 因此被用于区别分类物种之间的亲缘关系
如属、种或地理株系等问题。在藻类中 28S rDNA编
码区的序列比较分析已多用于分类学和系统发生等
方面的研究[21-22]。但目前国内利用核糖体大亚基来
探讨紫菜属的系统发育的研究则未见报道。
Broom等[23]对分布于新西兰沿岸的 49个紫菜核
糖体的 18S rRNA基因序列进行测序分析, 结果表明,
该区域的紫菜属植物存在较大的遗传变异和较远的
种间遗传距离, 这与它们的外部形态特征并不吻合,
这很有可能是长期的生殖隔离所致。Kunimoto等[24]
对 9 种紫菜的 18S rDNA 全序列进行了测序分析,
SSU rDNA 外显子序列在同种紫菜种内保持一致 ,
体现出很高的保守性, 而内含子序列在种内存在差
异, 并根据内含子的插入与缺失, 将它们的 rRNA基
因结构分为 4 种类型, 结果表明不同地理居群的同
种紫菜其 18S 基因结构存在差异。
核糖体 DNA(rDNA)的内转录间隔区(ITS)和基
因内间隔区(IGS)进化速度快, 序列变异丰富, 能够
提供比较丰富的变异位点和信息位点。IGS是 rDNA
中进化速度最快的区域, 在已经研究的 IGS 序列中,
发现 IGS 序列比 ITS 序列存在着更多层次的差异,
不仅在种间、种内居群间存在着差异性, 甚至不同个
体之间也存在着差异性[25]。在分子系统学研究中常
以 ITS或 IGS序列作为构建系统进化树的基础。
Mizukami 等 [26]对野生种和栽培种条斑紫菜的
ITS序列分析结果表明, 野生种和栽培种 ITS序列之
间存在差异, 并且野生种的不同个体间其 ITS 序列
也存在一定的差异。Niwa[27]对 7 种栽培品系条斑紫
菜的 ITS1 rDNA 序列进行了测序分析, 结果表明,
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这 7 个品系的 ITS1 序列不存在差异性, 因而不适合
作为这 7个品系的分类鉴定标记。
Kunimoto等[28]对甘紫菜的 SSU rDNA和 ITS测
序结果表明, SSU rDNA外显子序列在甘紫菜种内保
持一致 , 体现出很高的保守性 , 而内含子序列在种
内存在差异, 所以内含子以及 ITS1 序列可作为遗传
标记进行种内遗传差异的鉴定, 从而建立不同的甘
紫菜品系。
在亲缘关系较近的物种分类鉴定研究中, 当 ITS
序列存在争议时, IGS序列可以提供更有力的支持。
对栽培稻种内 ITS序列研究表明, 利用 ITS序列能将
典型籼粳亚种分开, 但亲缘关系较近的品种其 ITS
序列完全相同。戴小军等[18]对栽培稻种内 IGS 序列
研究表明, 亲缘关系较近的品种其 ITS 序列完全相
同, 由于 IGS 序列比 ITS 序列的信息位点多, 基于
IGS 序列能将亚种内, 特别是亲缘关系较近的品种
区分开。因此 IGS 序列更适于亚种内不同品种间遗
传关系的分析。
本实验室 2009年最早在藻类中克隆出了 IGS的
部分碱基序列, 长度达到 1100 bp, 在浙江宁波、福
建莆田和广东汕头栽培的坛紫菜中发现 25个碱基的
变异, 能够区分这些同一个物种不同地理群之间的
品种差异。相关结果发表在 Journal of Applied
Phycology上[29]。目前本实验室又对条斑紫菜的 28S
rRNA全序列进行了克隆, 并获得了部分 IGS碱基序
列。2011年年底, Sutherland等[30]15位国际著名的藻
类学家在美国的《Journal of Phycology》上发表了一
篇文章, 以 18S rDNA序列和 rbcL序列构建系统树,
按照单系起源的原则, 将广义的紫菜属分成了 15 个
属 , 其中叶状体的 8 个属包括 Porphyra, Pyropia,
Wildemania和 5个新属。产自中国沿海的 22个物种
都属于 Pyropia 属, 但是由于缺乏中国的研究者参与,
采集的物种没有本地区的样品, 需要更多的中国当
地的研究工作来提供证据, 特别需要 28S rDNA 和
IGS 这样更易变化的分子序列来确定紫菜物种的亲
缘关系。
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(本文编辑: 梁德海)