全 文 ：铁破锣属的系统位置———ITS(nrDNA)序列证据
汪 小 全　邓 峥 嵘 　洪 德 元
(中国科学院植物研究所系统与进化植物学开放研究实验室　北京 100093)
THE SYSTEMATIC POSITION OF BEESIA:EVIDENCE
FROM ITS(nrDNA)SEQUENCE ANALYSIS
WANG Xiao-Quan　DENG Zheng-Rong　HONG De-Yuan
(Laboratory of Systemat ic and Evolut ionary Botany , Insti tute of Botany , the Chinese Academy of S ciences , Beijing 100093)
Abstract　Discussed in the present paper is the systematic position of Beesia , a small ranun-
culaceous genus mainly distributed in SW China.Sequences of the internal transcribed spac-
ers(ITS)and 3′end of 5.8 S rRNA gene of Beesia cal thi folia , Trollius chinensis , Cim i-
cifuga acerina , C.brachycarpa and Actaea asiatica were determined by direct PCR se-
quencing method.The sequences of ITS-1 in the f ive species range f rom 225 bp to 232 bp in
size and those of I TS-2 from 201 bp to 217 bp.Beesia is very similar to Cimici fuga and Ac-
taea not only in size , sequence and G+C content of ITS , but also in sequence of 3′end of
5.8 S rRNA gene.In PAUP analysis , Ranunculus enysii was used as outg roup , and the
most parsimonious t ree w as obtained through exhaustive search.The gaps w ere t reated re-
spectively as missing characters and the fif th base in tw o analyses.The tw o analyses show
that a monophyletic g roup comprising Beesia calthifolia , Cim icif uga acerina , C.brachy-
carpa and Actaea asiatica is strongly supported by the boo tst rap value.In the monophyletic
g roup , Beesia calthi folia is basal to the o ther three species.The present DNA sequence
analy sis demonstrates that the genus Beesia should be placed in the tribe Cimicifugeae ,
which is consistent with the results f rom phy tochemist ry , palynology and cy tology .In addi-
tion , Beesia may be the most original genus in the t ribe Cimicifugeae in view of simple leaf ,
apetalous flower and molecular evidence.
Key words　Beesia ;Trollieae;Cimicifugeae;I TS;Molecular phylogeny
摘要　对 Beesia calthifolia 等5 种金莲花亚科植物的核糖体 DNA 中的内转录间隔区(ITS)序列及 5.8 S
rRNA 基因的 3′端序列进行了测定。这几种金莲花亚科植物的 ITS-1 的长度范围为 225 ～ 232 bp , ITS-2
的长度范围为 201～ 217 bp。 B.calthi folia 的 ITS-1(227 bp)和 ITS-2(215 bp)的长度及序列均与升麻
属及类叶升麻属植物相近 ,其 5.8 S rRNA 基因的 3′端序列也近乎与升麻属及类叶升麻属植物完全一致
(仅一个碱基缺失的差异),但其在上述几方面均与金莲花属植物相差甚远。以 Ranunculus enysii 作为
外类群 ,运用 PAUP软件进行的系统发育分析表明:B.calthifolia , Cimicif uga acerina , C.brachycarpa
和 Actaea asiatica 形成一个单系群 , 并得到 bootstrap 分析的极强支持 , B .calthifolia 位于这一单系群的
基部。这一 DNA 序列分析结果与来自植物化学 、孢粉学和细胞学的研究结果相吻合 , 更进一步支持铁
破锣属是升麻族的自然成员 ,并可能是升麻族中一个最原始的类群。
关键词　铁破锣属;金莲花族;升麻族;ITS;分子系统发育

The sequences determined in the present paper are deposi ted in the GenBank database(accession numbers AF055040
～ AF055049).
1998-01-12收稿 , 1998-04-01收修改稿。
国家自然科学基金“九·五”重点项目(39630030)资助。
植 物 分 类 学 报　36(5):403～ 410(1998)
Acta Phytotaxonomica Sinica
铁破锣属 Beesia是毛茛科中的一个小属 ,仅含 B .cal thi folia 和B .del tophyl la 2个
种。前者主要分布于我国西南部 ,后者仅分布于西藏墨脱(肖培根 , 1979)。Balfour &
Smith(1915)建立铁破锣属时 , 认为该属与白根葵属 Glaucidium 和北美黄连属 Hy-
drastis相近 。自铁破锣属建立以后 ,对其作为一个属的等级未提出任何异议 ,但其系统位
置一直存在争议 。Hutchinson (1923)根据花多数和圆锥花序这 2个性状将铁破锣属与
黄三七属 Soul iea 、升麻属 Cimici fuga 、类叶升麻属 Actaea 和黄根属Xanthorrhiza放在一
起 ,组成升麻亚族 Subtrib.Cimicifuginae ,首次提出了铁破锣属与升麻属等类群间的亲缘
关系。 Janchen(1949)根据蜜叶(退化雄蕊)形态也将铁破锣属置于升麻亚族 ,但其升麻
亚族不包括黄根属 ,而包括垂果升麻属 Anemonopsis。Tamura (1966)在其毛茛科系统中
将铁破锣属和驴蹄草属 Caltha 、金莲花属 Troll ius 、Megaleranthis 属及鸡爪草属 Calath-
odes归在一起 ,组成金莲花族 T rib.Trollieae (隶属金莲花亚科 Helleboroideae),且认为铁
破锣属是金莲花族向升麻族 Trib.Cimicifugeae演化的过渡类群 ,他对铁破锣属的系统处
理得到 Takhtajan (1987)的支持。Tamura (1990)对其毛茛科系统作了进一步修改 ,他将
金莲花亚科分为铁筷子族 Trib.Hellebo reae、升麻族 、黑种草族 Trib.Nigelleae 和翠雀族
Trib.Delphinieae共 4个族 ,在铁筷子族中下设 3个亚族 ,即驴蹄草亚族 Subtrib.Calthi-
nae(相当于原系统中的金莲花族 ,但不包括铁破锣属)、铁破锣亚族 Subtrib.Beesinae(仅
含铁破锣属)和铁筷子亚族 Subtrib.Helleborinae 。综上所述 ,该属应放在金莲花族 ,还是
应放在升麻族 ,或应将该属单立出来 ,是铁破锣属系统位置的争论焦点。
近年来 ,分子系统学这一新兴交叉学科的发展给上述问题的解决提供了便利条件 。
核糖体 DNA中的内转录间隔区(ITS)序列已被广泛用于植物属内 、近缘属间乃至科内的
系统发育研究(Baldw in et al., 1995;Sang et al., 1995),但 ITS序列分析在毛茛科中的
研究实例还很少(Ro , McPheron , 1997;Hodges , Arnold , 1994)。本文从金莲花族和升麻
族中选择代表类群(包括铁破锣属),分别测定这些类群的 ITS 序列 ,并利用 GenBank中
其它毛茛科植物的 ITS序列进行系统发育分析 ,从分支分类学和遗传距离角度探讨铁破
锣属的系统位置 。
1　材料与方法
1.1　材料来源
5种金莲花亚科植物(均属金莲花族或升麻族)自野外引入温室栽培 ,其来源见表 1。
表 1　材料来源
Table 1　The origin of materials
　　　Species 　　　　Locality 　　　Voucher
Cimici fuga acerina
(Sieb.et Zucc.)Tanaka Mt.Jinfo , Nanchuan , Sichuan Wang Xiao-quan 90131
Cimici fuga brachycarpa Hsiao Mt.Jinfo , Nanchuan , S ichuan Wang Xiao-quan 938231
Actaea asiat ica Hara Xiaolongmen , Beijing Wang Xiao-quan 91728
Beesia cal thi folia(Maxim .)Ulbr. Mt.Ziyun , Xinning , Hunan Yang Qin-er 941
Troll ius chinensis Bunge Mt.Baihua , Beijing Wang Xiao-quan 93731
404　 植　物　分　类　学　报 36 卷
1.2　总 DNA提取
用于 DNA提取的材料均为新鲜叶片(取自温室栽培的个体),总 DNA 提取方法为
CTAB法(Rogers , Bendich , 1988), 但当 1V CTAB沉淀液沉淀 DNA 的产率很低时 ,将上
清液继续用 1V异丙醇沉淀 。
1.3　ITS序列的获得
用于 ITS 扩增的引物 、I TS 的扩增及纯化方法 、测序反应及检测方法同汪小全和李振
宇(1998)。 Trol lius ranunculoides , Coptis tri fol ia 和Ranunculus enysii 的 ITS 序列取自
GenBank(Accession number分别为 X83849 、X83846和 X83848),并仅含 I TS-2序列(Ox-
elman , Liden , 1995)。
1.4　序列分析及系统树构建
ITS-1的范围根据水稻 rDNA 序列(Takaiwa et al., 1985)确定 , ITS-2的范围根据
Trollius ranunculoides的 ITS-2(Oxelman , Liden , 1995)确定。序列排列用CLUSTA L V
软件(Higgins , 1994)完成。排列好的序列用 PAUP 3.1.1 系统发育分析软件进行分析
(Sw offo rd , 1993),碱基处理作 Fitch性状(无序),缺隙(gap)分别处理作缺失(missing)和
第五碱基(fifth base)状态作 2 种分析 , Ranunculus enysii 作为外类群。最简约树采用竭
力法(Exhaustive)寻找 。为进一步判断简约树中各分支的可信度 ,本文采用 bootst rap检
验方法(500次重复)。
2　实验结果
本文共测得 5种金莲花亚科植物的 ITS-1和 ITS-2的完整序列以及 5.8 S rRNA基
因 3′端的 85个碱基序列。 ITS-1的长度范围为 225 ～ 232 bp , I TS-2的长度范围为 201 ～
217 bp , Beesia cal thi folia 的 ITS-1(227 bp)和 I TS-2(215 bp)在长度及GC含量上均与升
麻属及类叶升麻属植物相近 ,但 Troll ius chinensis 的 ITS-1 序列中的 GC 含量显著高于
其它 4种金莲花亚科植物(表 2)。
表 2　铁破锣与其它 4 种金莲花亚科植物的 ITS-1 和 ITS-2 的长度及其 GC 含量
Table 2　Sizes and percent G+C content of ITS-1 and ITS-2 of Beesia calthifolia and o ther
four species of the subfamily Hellebo roideae
Species ITS-1 I TS-2
Size(bp) G+C(%) Size(bp) G+C(%)
Cimici fuga brachycarpa 225 45 215 51
Cimici fuga acerina 225 44 215 53
Actaea asiat ica 226 43 217 49
Beesia cal thi folia 227 45 215 51
Troll ius chinensis 232 53 201 54
排列后的 ITS-1 , 5.8 S rRNA 基因 3′端及 ITS-2 序列见图 1 , Beesia cal thi folia 的
ITS序列与升麻属及类叶升麻属植物的 ITS 序列间的同源性程度很高 ,但其与金莲花属
植物 I TS 序列间的同源性程度很低。 Trol lius chinensis的 5.8 S rRNA 基因 3′端序列与
铁破锣属 、升麻属及类叶升麻属植物相比均有较大差异(共发生 4个碱基替换及一个碱基
5 期 汪小全等:铁破锣属的系统位置——— ITS(nrDNA)序列证据 405　
缺失),相反 , Beesia calthi fol ia与升麻属及类叶升麻属植物在 5.8 S rRNA基因 3′端序列
上的差异很小(仅一个碱基缺失事件)。PAUP 分析得到 5种金莲花亚科植物的 ITS及部
分 5.8 S rRNA基因序列间的绝对遗传距离(核苷酸差异数)和平均遗传距离见表 3。
表 3　铁破锣与其它 4种金莲花亚科植物的 ITS 及 5.8 S rRNA 基因 3′端序列间的
绝对遗传距离和平均遗传距离
Table 3　Pairwise genetic distances of ITS and partlial 5.8 S rRNA gene(3′end)sequences of
Beesia calthifolia and other 4 species in the Helleboroideae
1 2 3 4 5
1　 Cimici fuga brachycarpa - 0.057 0.050 0.109 0.200
2　 Cimici fuga acer ina 30 - 0.070 0.115 0.214
3　 Actaea asiatica 26 37 - 0.126 0.221
4　 Beesia calthi folia 57 60 66 - 0.232
5　 Trol lius chinensis 101 108 112 117 -
Beesia cal thi folia 与 Troll ius chinensis间的平均遗传距离(0.232)是其与升麻属及类
叶升麻属植物间平均遗传距离(0.109 ～ 0.126)的两倍左右 ,且 Trol lius chinensis 与升麻
属及类叶升麻属植物间的平均遗传距离(0.200 ～ 0.221)均很大 。
图 2　基于 ITS 及 5.8 S rRNA基因 3′端序列分析构建的毛茛科 6属 、8 种植物的系统树。分支上的数值表示碱基替
换的数目 ,括号内的数值表示 bootstrap分析对该分支的支持强度(百分比)。该系统树的长度为 268步 ,其 CI 值和 RI
值分别为 0.877和 0.734。
Fig.2　One of tw o most parsimonious t rees const ructed f rom sequence analysis of ITS and partial 5.8 S rRNA gene(3′end)
of 8 species of 6 genera in the Ranunculaceae.The t ree has 268 steps , w ith CI=0.877 and RI=0.734.Bootstrap values in
parentheses are indicated below the branches , and the other values on the branches indicate the number of substitutions.
当 gap处理作缺失状态时 ,用 Exhaustive法寻找得到两个最简约树 ,其中一个简约树
如图 2所示。该简约树的长度为 268步 ,其一致性指数(CI)和维持性指数(RI)值分别为
0.877和 0.734。Beesia calthi fol ia , Actaea asiatica , Cimici fuga brachycarpa 和Cimici fu-
ga acerina 形成一个单系群 ,并得到了 boo tst rap分析的极强支持(99%),Beesia calthi folia
408　 植　物　分　类　学　报 36 卷
位于这一单系群的基部 ,它与升麻属及类叶升麻属植物拥有 45个共衍征。另一个简约树
的结构与图 2极为相似 ,仅 Copt is tri fol ia位于所有其它内类群基部而略有差异 。当 gap
处理作第五碱基状态时 ,竭力法寻找仅得到一个最简约树 ,该简约树的结构与图 2完全一
致 ,且由 Beesia calthi folia , Actaea asiatica , Cim ici fuga brachycarpa 和Cim ici fuga acerina
组成的单系群得到了 boo tst rap分析的 100%支持 。
3　讨　论
3.1　铁破锣属是升麻族的自然成员
植物化学研究表明铁破锣属植物与升麻族植物(sensu Tamura , 1966)均较特殊 ,均不
含毛茛科的特征性化学成分 ——— 毛茛甙或木兰花碱(肖培根 , 1980);孢粉学研究表明铁
破锣属与升麻族植物具有类似的花粉外壁纹饰及花粉壁结构(Wang et al., 1993);细胞
学研究表明铁破锣属与升麻族植物具有极为相似的核型 ,尤其是共有 5对大型的 m 染色
体(Wang et al., 1994;杨亲二等 , 1995)。相反 , 铁破锣属与金莲花族植物(sensu 王文
采 ,1979)在上述几方面均相差甚远 。本文的 ITS序列分析进一步表明:(A)铁破锣属不
仅在 I TS 的长度及 GC 含量上与升麻属及类叶升麻属植物相近 ,而且其 ITS序列与升麻
属及类叶升麻属植物的 ITS 序列具有很高的同源性 ,排序时需要插入的 gap少且短(除一
个两碱基 gap外 ,其它均为一个碱基);相反 ,铁破锣属的 ITS序列与金莲花属植物的 ITS
序列间的同源性程度很低 。(B)铁破锣属的 5.8 S rRNA基因 3′端序列与升麻属及类叶
升麻属植物近乎完全一致(仅一个碱基缺失的差异),而与金莲花属植物的 5.8 S rRNA
基因 3′端序列相比发生了 4个碱基转换。5.8 S rRNA基因是一个高度保守的结构基因 ,
Suh et al.(1993)研究发现整个林仙科Winteraceae 植物的 5.8 S rRNA基因全序列中仅
有 6个位点发生变异 ,金莲花属植物的 5.8 S rRNA基因 3′端的 85个碱基中却有 4个碱
基与铁破锣属植物有差异 ,这无疑说明铁破锣属植物与金莲花属植物关系较远。上述事
实均说明铁破锣属与升麻属及类叶升麻属所属的升麻族植物具有很近的亲缘关系 ,而与
金莲花属所属的金莲花族植物间的关系较远 ,铁破锣属是升麻族的一个自然成员 。这一
结论在最简约树(图 2)上同样得到反映 ,即铁破锣与升麻属及类叶升麻属植物构成一个
单系群 ,且这一单系群得到 bootst rap分析的 99%支持 。
3.2　铁破锣属在升麻族中的系统位置
Tamura (1966)将铁破锣属置于金莲花族主要依据该属具单叶 、根状茎不发达 、有限
花序 、花少并稀疏排列 、无花瓣 、花序与地上茎不能截然分开等特征 ,但这些性状并不仅仅
出现于金莲花族中 ,其中一部分性状(如单叶 、有限花序)是毛茛科植物的祖征 ,另一部分
性状(如花瓣)在毛茛科中不是单次起源的 ,因而这些性状不适用于较高分类等级(如族)
的系统划分 。事实上 ,角叶铁破锣 B.deltophylla 的叶基部呈耳状突出 ,已呈现向三出复
叶演化的趋势;铁破锣属植物虽无发达的根状茎 ,但其根状茎的形态与升麻族植物极为相
似 ,而与金莲花族植物相差甚远;铁破锣的花序(复聚伞花序)明显是聚伞花序向升麻族的
复总状花序过渡的中间类型 ,因此铁破锣属的很多形态特征也可与升麻族植物联系起来 。
尽管如此 ,铁破锣属的单叶和无花瓣两个特征相对于同族的黄三七属 、垂果升麻属 、升麻
属及类叶升麻属是较原始的 ,它与升麻属及类叶升麻属间的遗传距离明显大于升麻属与
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类叶升麻属间的遗传距离(表 3),其在简约树上也位于升麻族其它成员的基部 ,因此铁破
锣属可能是升麻族植物中最原始的一个类群 。
致谢　杨亲二先生提供部分实验材料 ,特此致谢。
参 考 文 献
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