全 文 ：首都师范大学学报(自然科学版)第 25 卷 专集
2004 年 12月
Journal of Capital Normal University
(Natural Science Edition)
Vol.25
Dec. 2004
核酸序列测定法在侧蒴藓类系统发育中的应用进展
车 未 艾
(首都师范大学生命科学学院 ,北京 100037)
摘 要
概述了苔藓分子系统学发展的现状及核酸序列测定法在研究侧蒴藓类系统发育中的应用 , 并提出了苔藓分子
系统学发展的前景.
关键词:苔藓植物 , 分子系统学 , 核酸序列测定法 , 侧蒴藓类.
中图分类号:Q 52 , Q 949.35
收稿日期:2004-11-10
0 引 言
在现存的陆生高等植物中 ,苔藓植物是仅次于
被子植物的第二大类群.在被子植物罕见的自然环
境中 ,苔藓植物仍然保持其生物多样性 ,在生态系统
中起着重要的作用[ 1] .1995年绿色植物起源和系统
发生的国际协作组在美国 Berkeley 举行工作会议.
在会议结束时 ,参加会议的 9位苔藓学家建议 ,测定
80 个分类单位基因簇的 DNA 序列 , 2000 年的
《Bryologist》103卷第 2期中发表了 8篇苔藓植物分
子系统学的论文[ 2] .苔藓植物分子系统学在短短的
几年间取得了快速地发展.可以预见 ,随着分子生物
学技术的不断更新 ,利用核 、叶绿体和线粒体等的基
因序列来研究苔藓植物的分子系统会成为今后一个
时期研究的热点 ,人类对苔藓植物各分类阶元系统
关系的研究将在分子水平上进行.
1 运用核酸测定法研究苔藓分子系统
学情况简述
苔藓分子系统学研究起步很晚 ,在 20 世纪 90
年代才有较大的发展 ,远远落后于维管植物.Brent
D.Mishler(1992)等利用核糖体 16S和 23S DNA 基因
序列研究苔藓植物的系统发育[ 3] ,Terry A Hedderson
(1996)等利用核基因 18S rRNA基因序列发现角苔
类是陆生植物中最原始的类群 ,苔类与藓类植物是
维管植物的姐妹群[ 4] .然而 ,苔藓植物本身的系统发
育问题至今还存在较大的争议 ,形态学获得的证据
认为苔藓植物的系统发育是并系的 ,并且苔类是其
中最基础的谱系 ,而从分子生物学角度分析则认为
苔藓植物是单系发育的.目前国内外主要应用同工
酶分析技术 、RAPD和 RFLP 技术 、DNA指纹图谱和
核酸序列测定等技术来探讨苔藓植物分子系统学 ,
这些分子生物学技术的不断发展为进一步阐明苔藓
植物的系统演化和分类位置提供了依据 ,是苔藓植
物分子系统学的新的生长点.
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即为核酸序列方法.
DNA是遗传信息的载体 ,直接对 DNA核苷酸排列顺
序的分析和比较是研究遗传多样性 、系统发育以及
亲缘关系分析等最彻底和最理想的方法 ,同时也避
免了因电泳造成的误差.随着 DNA测序成本的降低
和更多基因序列的测定 ,该方法已成为国内外研究
苔藓分子系统学的主要方法.由于 DNA测序是最复
杂也是最昂贵的标记技术 ,在苔藓植物的系统发育 、
亲缘关系和遗传多样性分析等研究中 ,还只能对基
因组的特定区域或特定基因进行测序.
2 核酸序列测定法在侧蒴藓类系统发
育中的应用
侧蒴双齿藓类是苔藓植物中最大一个类群 ,包
括的科 、属繁多 ,形态结构变化大 ,其孢蒴蒴齿的结
构大部分属灰藓型 ,但配子体差异较大 ,常常被用来
作为分科 、分属和分种的依据.不同苔藓学家对孢子
体和配子体特征在分类中的重要性认识侧重点不
同 ,导致侧蒴双齿藓亚类一些科 、属概念及界线不
清.如 在 薄 罗 藓 科 (Leskeaceae)和 羽 藓 科
(Thuidiaceae)与 鳞 藓 科 (Theliaceae)、 绢 藓 科
(Entodontaceae)、垂枝藓科(Rhytidiaceae)和塔藓科
(Hylocomiaceae)之间等都存在界线不清的问题.近
几年来国内外众多苔藓学家都将目光集中在研究侧
蒴双齿藓亚类的系统发育 ,特别是灰藓目的科 、属 、
种亲缘关系的争议上.
Bernard Gofffinet(1998)运用叶绿体 rbcL 基因片
段研究了木灵藓目的系统发育 ,分析表明木灵藓是
并系群[ 5] .Efrain DE Luna 等(2000)利用叶绿体 rbcL 、
trnL-F 和 rps4三种基因片段 ,以五种真藓目(Bryale)
的种类为外类群 ,研究灰藓目(Hypnales)、白齿藓目
(Leucodontales)和油藓目(Hookeriales)的系统发育.
结果表明:(1)油藓目(Hookeriales)是一个单系群 ,这
个结论已有许多分子数据的支持 , 并且与(Buck
l988
[ 6] ;Buck et al 2000[ 7])的结论相符 ,但与 Hedenas
的形态分支分析结论相反.(2)传统意义上的白齿藓
目(Leucodontales)和灰藓目(Hypnales)的所有类群组
成单系群并与油藓目构成姐妹群.这些结论提示对
白齿藓目(Leucodontales)和灰藓目(Hypnales)的分类
中的一些问题需要重新考虑 ,此外 ,还发现灰藓目
(Hypnales)的三个亚目和白齿藓目(Leucodontales)的
四个亚目的分类需要重新调整[ 8] .
Cymon J.Cox 等(2000)利用叶绿体基因片段
(rbcL、rps4 和 trnL-trnF)及核基因(18SrRNA)运用简
约性分析研究真藓亚纲(Bryidae)双齿藓类四个目即
真藓目(Hypnales)、白齿藓目(Leucodontales)、灰藓目
(Hypnales)和油藓目(Hookeriales)的系统发育 ,其中
后三个目属于侧蒴双齿藓类.研究结果强烈支持真
藓亚纲是一个并系群 ,侧蒴双齿藓类的三个目组成
一个单系群[ 9] .Sachiko Maeda 等(2000)利用叶绿体
rbcL基因序列研究了白齿藓亚目(Leucodontineae)的
系统发育 ,通过分析得到以下四个结论:(1)边毛藓
属 (Antitrichia ) 不 应 被 归 入 白 齿 藓 科
(Leucodontaceae).(2)隐蒴藓科(Cryphaeaceae)与白齿
藓科构成单系发育的进化枝.这就反驳了 Buck&Vitt
(1986[ 10])将隐蒴藓科与白齿藓科放入不同超科的
观点.(3)残齿藓属(Forsstroemia)与平藓属(Neckera)
(平藓科Neckeraceae)组成单系群.(4)分子数据不支
持牛舌藓科(Anomodontaceae)为单源类群的观点[ 11] .
Hiromi Tsubota 等(2002)运用 rbcL 序列利用最大可
能性分析方法研究灰藓目(Hypnales)、白齿藓目
(Leucodontales)和油藓目(Hooleriales)的系统发育情
况.该研究得到以下结论:(1)灰藓目(Hypnales)和白
齿藓目(Leucodontales)都不是单系类群.灰藓目
(Hypnales)和白齿藓目(Leucodontales)构成一个大的
进化枝 ,该进化枝与由油藓目(Hooleriales)构成的进
化枝组成姐妹群.(2)锦藓科(Sematophyllaceae)和棉
藓科(Plagiotheciaceae)各自组成单系群.(3)真藓科
(Hypnaceae)与其代表的真藓属(Hypnum)是多系类
群 ,该结论与Vitt(1984[ 12])和Buck &Vitt(1986[ 10])的
系统不符合[ 13] .A.J.Shaw 等(2003)利用叶绿体 DNA
序列研究了灰藓目(Hypnales)与油藓目(Hookeriales)
的进化问题[ 14] .William R.Buck 等(2000)运用 trnL-
trnF 和 rps4两种叶绿体 DNA序列研究侧蒴藓类传
统三 个 目 的 系 统 发 育 情 况 , 将 梭 蒴 藓 科
(Ptychomniaceae)和 Garovagliaceae 归 入 油 藓 目
(Hookeriales)中[ 15] , 并对这三个目中的平藓科
(Neckeraceae )、 Anomodontaceae 、 青 藓 科
(Brachytheciaceae)、蔓藓科(Meteoriaceae)、柳叶藓科
(Amblystegiaceae)及棉藓科(Sematophyllaceae)内部的
系统发育进行了重点讨论.
叶绿体基因 、核基因等也同样应用到解决灰藓
目中科 、属 、种间的系统发育关系与进化问题.T-Y
Chiang 等(2000)等利用核糖体 DNA ITS2区域研究
塔藓科(Hylocomiaceae)的系统发育.得到以下结果:
(1)简约性分析和邻接分析均支持塔藓科为一个单
系群.科内的七个属也都属于该科 , 这与 Roher
(1985a[ 16] )依据形态学上的数据将 Thelia 不包括在
塔藓科的结论相反.(2)Hylocomium s1是一个并系的
属 ,应该被分为三个单独的属.(3)ITS-2区域在塔藓
科的进化速率与分子钟假说相吻合[ 17] .Tzen-Yuh
Chiang 等(2000)利用叶绿体 DNA一个介于 atpB 及
rbcL基因间的非转译区间 ,研究塔藓科的分子演化 ,
得到如下结论:(1)根据相对速率的测验发现 , 该
DNA片段的演化符合分子钟的假说.(2)依据在真
藓 植物中已知的分子演化速度 ,塔藓科的起源可以
追遂至二千九百万年前 ,并与化石证据吻合.(3)在
最大简约分析中因长支吸引效应 ,使 Rhytidiopsis及
Rhytidium发生错误的分类 ,邻接法在重建历史上有
较可靠的估算[ 18] .Alain Vanderpoorten 等(2003)利用
69专集 车未艾:核酸序列测定法在侧蒴藓类系统发育中的应用进展
DNA指纹图谱法和 ITS区域并结合一些形态学的特
征区分拟垂枝藓属(Rhytidiadelphus)(塔藓科)的一
些相近的种类.其中 R.Subpinnatus 和 R.Squarrasus
两个姐妹群种用 ITS 标记时难以区分 ,而用 DNA指
纹图谱法标记时则表现出明显的遗传不连续性[ 19] .
这也说明在鉴别苔藓中的姐妹群时 ,如果用 ITS区
域无法提供合适的多态性时 ,DNA 指纹图谱法是一
个不错的选择.
Michael Stech等(2000)利用叶绿体 DNA trnLuAA
内含子和部分核糖体 DNA ITS2序列探讨了一种斯
洛伐克地方性种类Ochyraea tatrensis Vǎna(以前属于
Hypnobartelettiaceae科)的定位问题 ,由于该种类与柳
叶藓科的种类Hygrohypum smithii在两种基因序列上
差异极小 ,所以将Ochyraea tatrensis Vana 归入柳叶藓
科(Amblystegiaceae)中.但由 于其与 水灰藓属
(Hygrohypum)在配子体上的差异及基于分子数据并
不是单系发育这两个结论而将 Ochyraea 属保留[ 20] .
由于叶绿体DNA基因序列 trnL-trnF 、atpB-rbcL 与 ITS
区域无法较好地解决湿地藓属(Hygroamblystegium)
(柳叶藓科)的进化问题.Alain Vanderpoorten 等
(2004)运用 adk 基因解决了其进化问题[ 21] .Alain
Vanderpoorten等(2002)利用叶绿体 DNA 基因序列
trnL-trnF 、atpB-rbcL与 ITS 区域 ,运用最大简约法和
最大似然法重新探讨了柳叶藓科的系统发育与进
化 ,结果表明 ,传统的柳叶藓科是并系的 ,以柳叶藓
属 (Amblystegium)为 基 础 类 群 , 薄 网 藓 属
(Leptodictum)、细湿藓属(Campylium)、偏叶藓属
(Campylophyllum)、牛角藓属(Cratoneuron)和镰刀藓
属(Drepanocladus)等组成柳叶藓科.以湿原藓属为基
础 , 包 括 Hamatocaulis 、 Scorpidium 和 水 灰 藓属
(Hygrohupum)的 Hygrohypum ochraceum 组成一个新
科———湿 原 藓 科 (Calliergonaceae )[ 22] .Alain
Vanderpoorten等(2003)采用叶绿体 DNA 区域(trnL-
trnF和 atpB-rbcL),研究结果表明:(1)Vittia 归入柳
叶藓科 , 不必再单独立 Vittaceae 科 , 这个结论与
(Hedenas l995[ 23] ;Buck and Goffinet 20001[ 24] ;Ochyra
和Matteri 2001等[ 25])通过形态学得到的结论完全一
致.(2)Platylomella lescurii属于羽藓科/薄罗藓科 ,其
与Vittia和 Platylomella之间许多形态学特征属于协
同进化.Viivi Virtanen(2003)运用三种叶绿体基因位
点(rbcL、rps4和 trnL-trnF基因区域)并结合形态学上
的数据研究了珠藓科(Bartramiaceae)的系统发育状
况 ,结果表明:珠藓科(Bartramiaceae)是一个并系发
育的类群 , 包括刺毛藓属(Anacolia)、巴氏藓属
(Bartramia)、热泽藓属(Breutelia)、Conostomum 、长柄
藓 属 (Fleischerobryum )、 Flowersia、 Leiomela 、
Neosharpiella、泽 藓 属 (Philonotis)和 平 珠 藓 属
(Plagiopus),这与 Goffinet(2001)[ 27] 的结论相同[ 26] .
Tomostugu Arikawa 等(1999)利用叶绿体 DNA
rbcL基因片段研究了棉藓科及其相关科属的系统发
育 ,结果表明:(1)侧蒴藓类组成一个单系群.(2)棉
藓属(Plagiothecium)是一单系群.(3)鳞叶藓属
(Taxiphyllum)与棉藓属亲缘关系不近.(4)灰藓科
(Hypnaceae)是一个并系;(5)Pylaisiella 不应属于灰
藓科 ,灰藓科与锦藓科之间的区别存在着争议 ,另外
小锦藓属(Brotherella)、刺枝藓属(Wijkia)及其相关
属 、种的分类问题还未解决[ 27] .Niklas Pedersen 等
(2002)应用解剖学 、形态学上的数据 ,并利用叶绿体
DNA rps4和 trnL-trnF 两种基因序列研究棉藓科的系
统发育问题 ,在单独用 rps4和 trnL-trnF 基因序列分
析时 ,得到棉藓科是并系的结论 ,然而当用基因序
列 、解剖学和形态学上的数据共同分析时 ,发现除了
Herzogiella adscendens(Lindb.)Iwats 为并系群外 , 棉
藓科的其他属都是单源发育的.这些结论也表明棉
藓科包括以下 11 个属:Acrocladium 、Bardunovia 、
Catagonium 、 Herzogiella 、 Isopterygiopsis 、灰 石 藓 属
(Orthothecium)、小鼠尾藓属(Myurella)、棉藓属
(Plagiothecium )、 Platydictya 、 Pseudotaxiphyllum 、
Rhizofabronia和牛尾藓属(Struckia).上面的两个分
析也说明了在研究科内的系统发育时 ,运用各种方
法得到的数据都是很重要的 ,另外还发现棉藓科的
祖先可能是来自南方的热带种类[ 28] .
张会等(2003)利用核糖体 DNA ITS序列 ,探讨
了苔藓植物广义羽藓科的系统发育 ,构建羽藓科 7
属 、11种植物的系统发育树 ,据 Bootstrap严格一致
树表明:广义的羽藓科为并系发育 ,可分为两个主要
的分 支 , 牛 舌 藓 属 (Anomondon)、羊 角 藓 属
(Herpetineuron)和多枝藓属(Haplohymenium)等为一
支 ,而山羽藓属(Abeitinela)、羽藓属(Thuidium)、沼
羽藓属(Helodium)和麻羽藓属(Claopodium)等为另
一主要分支 ,从分子水平上支持了据形态特征把原
牛舌藓亚科的牛舌藓属 、羊角藓属 、多枝藓属提升为
牛舌藓科的结论[ 29] ,与吴鹏程(2002)[ 30] 的形态学观
点相符.
3 前景展望
传统的苔藓植物系统研究已有很长的历史 ,主
70 首都师范大学学报(自然科学版) 2004年
要依据形态学的性状和解剖学的证据 ,由于各个分
类学家侧重点不同 ,因此在较低分类阶元的争议很
大.分子生物学技术迅猛发展弥补了传统分类中的
不足 ,今天苔藓分子系统学研究在一些著名实验室
中已全面开展.苔藓分子系统学是一门高度综合的
学科 ,它需要研究者有较扎实的传统分类知识 ,良好
的分子生物学技能并且具备运用生物信息学软件处
理数据的能力.该研究在我国属于比较薄弱的研究
领域 ,所以应该加强苔藓分子系统学领域的人才培
养 ,进一步提高和赶超世界学术水平 ,我国苔藓分子
系统学研究达到国际先进水平[ 31] .
参 考 文 献
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Progress in the Usage of Nucleotide Sequencing Method on
Phylogeny of Pleurocarpous Mosses
Che Weiai
(College of Life Sciences , Capital Normal University , Beijing 100037 ,China)
Abstract
The present condition of molecular systematics on Bryophytes and nucleotide sequencing method applying the
phylogeny of pleurocarpous mosses is introduced in this paper.Some developments were indicated in study of bryophyte
molecular systematics.
Key words:Bryophytes , molecular systematics ,nucleotide sequencing method , pleurocarpous mosses.
72 首都师范大学学报(自然科学版) 2004年