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第 51卷 第 1期 2006年 1月 快 讯
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用叶绿体和核糖体 DNA序列探讨中国特有植物
斑子麻黄的系统位置
王庆彪①* 王 莉①* 周仁超② 赵晓敏① 施苏华② 杨 永③† 钟 扬①④†
(① 复旦大学生命科学学院生物多样性与生态工程教育部重点实验室, 上海 200433; ② 中山大学生命科学学院基因工程教育部重点
实验室, 广州 510275; ③ 中国科学院植物研究所系统与进化植物学重点实验室, 北京 100093; ④ 上海生物信息技术研究中心,
上海 201203. * 同等贡献. † 联系人, E-mail: ephedra@ibcas.ac.cn; yangzhong@fudan.edu.cn)
摘要 测定了我国特有植物斑子麻黄的叶绿体 matK 和 rbcL 基因以及核糖体 18S 基因和 ITS 区的序列,
选取麻黄属 15 个物种的 16 个类群(含旧大陆 8 种和新大陆 7 种)进行分子系统发育分析, 探讨斑子麻黄
的系统位置. 基于最大简约法(MP)、邻接法(NJ)、最小进化法(ME)和最大似然法(ML)的独立与联合分
析均表明斑子麻黄与木贼麻黄关系最近. 根据相对速率检验结果, 结合前人所建立的麻黄属 rbcL 基因
进化速率估计斑子麻黄与木贼麻黄的分歧时间约为 10.85±2.44 Ma.
关键词 麻黄属 斑子麻黄 cpDNA matK 基因 rbcL 基因 rDNA 18S 基因 nrDNA ITS 区 系统发育分析
买麻藤纲(Gnetopsida)与被子植物共有某些重要
性状(如双受精和导管分子等)[1,2], 因而在植物系统
发育研究中占有特殊地位. 近年来, 形态与分子证据
已表明买麻藤目(Gnetales)、百岁兰目(Welwitschiales)
和麻黄目(Ephedrales)为一个单系类群 , 其中麻黄目
(单科单属)处于基出位置[3,4]. 然而, 由于麻黄类植物
间的亲缘关系错综复杂, 加之材料取样方面的困难,
目前有关该类植物的系统分类与进化研究中仍存在
许多疑难问题 , 而寻找其原始类群一直被认为是了
解麻黄进化的关键性工作[5~8].
化石记录对研究植物起源和演化具有十分重要
的意义. 麻黄类植物在地层中的孢粉记录较多, 但大化
石十分罕见, 已报道的大化石大多保存状态较差, 无法
与现存类型比较[9,10]. 直到最近, 在我国辽西地区的早
白垩纪地层中发现了距今约 1.25 亿年的麻黄类大化
石 [11~13]. 其 中 , 古 斑 子 麻 黄 (Ephedra archaeorhyti-
dosperma)被认为是最早的、性状与现存麻黄类最相
近的生殖器官大化石 [13]. 该化石标本因与我国特有
植物斑子麻黄(E. rhytidosperma)形态相近而得名, 这
是迄今发现的保存完好且惟一可明确归入麻黄属的
大化石 . 尽管这一发现对确定麻黄类的起源与演化
具有重要意义 , 但作者并未肯定斑子麻黄就是现存
麻黄属植物中最原始的物种 . 鉴于国际上麻黄的分
子系统发育研究尚未涉及斑子麻黄 [7,8,14~16], 我们首
次利用叶绿体 matK 和 rbcL 基因以及核糖体 18S 基
因和 ITS 区序列来探讨斑子麻黄的系统位置, 并粗略
估计该种的起源时间.
我们从宁夏回族自治区贺兰山地区不同斑子麻
黄居群中采集新鲜叶片(凭证标本存中国科学院北京
植物所国家植物标本馆), 经硅胶干燥后, 用改进的
CTAB 法 提 取 总 DNA[17]. matK 基 因 扩 增 引 物 为
trnK-2R 与 trnK-3914F, rbcL 和 18S 基因引物参照文
献[8], ITS1 和 ITS2 间隔区以及 5.8S 编码区扩增引物
为 ITS4 和 ITS5[18]. 扩增产物用华舜 PCR 产物纯化试
剂盒纯化, 用 BigDye 循环测序试剂盒在 ABI 377 自
动测序仪上测定 DNA 序列, 分别由中山大学基因工
程教育部重点实验室和复旦大学生物多样性与生态
工程教育部重点实验室测定. 自测序列和其他 DNA
序列的 GenBank 收录号见表 1, 其中 DQ028779~
DQ028782 及 DQ212957~DQ212960 来自于两个不同的
斑子麻黄居群; Gnetum 序列分别来自于 G. hainanense,
G. urens, G. leyboldii 和 G. gnemon 4 个种; Welwitschia
序列来自 W. mirabilis. 序列对位排列采用 Clustal-X
程序[19], 并经手工检查和校正.
我们采用最大简约法(MP)[20]、邻接法(NJ)[21]、最
小进化法(ME)[22]和最大似然法(ML)[23]分别对叶绿体
matK 和 rbcL 基因以及核糖体 18S 基因和 ITS 区序列
进行系统发育分析. 外类群为百岁兰属(Welwitschia)
和买麻藤属(Gnetum)[8]. 为了提高系统发育分析的准
确性 , 我们进一步选择共有上述 4 种基因和分属
Stapf(1889)系统膜果麻黄组(Sect. Alatae)、干苞麻黄
组(Sect. Asarca)和麻黄组(Sect. Ephedra)的 16 个类群








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表 1 本研究所用代表种及 GenBank 登录号
GenBank 收录号 种名
rbcL matK 18S ITS
分布区 组 a)
E. antisyphilitica AY492031 AY492008 AY755682 AY755757 北美 Alatae
E. aphylla AY755802 AY492009 AY755695 AY755771 非洲 Ephedra
E. californica AY492033 AY492011 AY755676 AY755750 北美 Asarca
E. chilensis AY492036 AY492012 AY755679 AY755754 南美 Alatae
E. distachya AY492035 AY492013 AY755686 AY755769 亚洲、欧洲 Ephedra
E. equisetina AY755783 AY492014 AY755666 AY755770 亚洲 Ephedra
E. fragilis AY755784 AY492015 AY755677 AY755752 非洲、欧洲 Ephedra
E. intermedia AY056566 AY492016 AY755683 AY755758 亚洲 Ephedra
E. minuta AY492041 AY492019 AY755681 AY755756 亚洲 Ephedra
E. nevadensis AY492042 AY492020 AY755688 AY755764 北美 Ephedra
DQ028779b) DQ028780 b) DQ028781 b) DQ028782 b)
E. rhytidosperma
DQ212957 b) DQ212960 b) DQ212959 b) DQ212958 b)
亚洲 Ephedra
E. sinica AY492046 AY492024 AY755675 AY755749 亚洲 Ephedra
E. torreyana AY492047 AY492025 AY755684 AY755759 北美 Alatae
E. trifurca AY492048 AY492026 AY755687 AY755762 北美 Alatae
E.tweediana AY492049 AY492027 AY755692 AY755768 南美 Alatae
Gnetumc) AY296546 AY449629 L24045 AY449561
Welwitschia c) AJ235814 AF280996 AF207059 U50740
a) 按 Stapf(1889)分类系统; b) 本研究所测序列; c) 外类群

(含旧大陆 8 种和新大陆 7 种)构建叶绿体和核糖体序
列的联合数据矩阵, 并据此进行 ML 分析. 采用了分
划同质性检验(partition homogeneity test)评价联合分
析的可靠性[24]. ML 搜索所用核苷酸置换模型为 HKY
模型[25]和 Г 分布, 同时考虑置换速率和核苷酸频率
的 异 质 性 . ML 系 统 树 各 分 枝 的 支 持 率 为 自 展
(bootstrap)百分率(1000 次重复, 启发式搜索). 用相
对速率检验(relative-rate test)方法检测每个序列数据
集 所 产 生 系 统 树 中 各 分 枝 进 化 速 率 差 异 的 显 著
性 [26,27], 以进化速率恒定的序列数据集和种子植物
分歧时间(290 Ma)以及 Jukes-Cantor 单参数距离作
为 估 计 起 源 时 间 的 依 据 [7,28]. 上 述 所 有 计 算 采 用
PAUP 4.0 和 MEGA 3.0 软件包以及 RRT 1.1 软件完
成[24,28,29].
上述分子系统发育分析的结果表明: (ⅰ ) 分子
证据并不支持传统的 Stapf 分类系统, 即膜果麻黄组
与麻黄组均不构成单系类群(图 1), 这与 Ickert-Bond
等人[14]以及 Huang 等人[15]最近的研究结果一致. 构
建的系统树将 15 种麻黄分为南美洲、北美洲、旧大
陆 3 组, 与各所属的地理位置相一致, 据此可推断现
存麻黄在各大洲的辐射扩散应于冈瓦纳古大陆分裂
之后; (ⅱ ) 所有系统树均支持斑子麻黄与木贼麻黄
(E. equisetina)构成单系类群, 自展支持率为 74%~
100%, 这一结果验证了 Pachomova[30]和 Mussayev[31]
基于形态证据所做的推测; (ⅲ ) 叶绿体和核糖体序
列分别构建的联合数据矩阵可以产生分辩率最高的
系统树(叶绿体和核糖体序列的分划同质性检验结果
分别为 P = 0.433 和 P = 0.763), 而 4 个基因联合构建
的系统树在拓朴结构上与各基因独立构建的系统树
相似, 但因麻黄存在种间杂交现象[32], 导致核基因与
叶绿体基因联合之后的系统树分辨率降低; (ⅳ ) 在
种间水平, 只有叶绿体 rbcL 基因和核糖体 18S 基因
通过了相对速率检验, 即可以用若干已知分歧事件
(如种子植物分歧时间)作为分子钟标尺来计算绝对
进化速率. 由于用 18S 基因序列构建的麻黄属系统树
分辨率太低(不能区分新、旧大陆物种), 我们仅采用
了 rbcL 基因序列和 Huang & Price 所建立的绝对进化
速率((2.353±0.205)×10–10 碱基替换/位点)[7] 估计出斑
子麻黄与木贼麻黄的分歧时间为 10.85±2.44 Ma. 这
一粗略估计结果表明, 我国辽西发现的相关化石物
种 E. archaeorhytidosperma 与斑子麻黄的亲缘关系可
能不如化石物种种名所预示的那么接近; 化石物种
与貌似相近的现生物种的关系有待进一步研究 . 总
之, 我们的系统发育分析结果确定斑子麻黄与木贼
麻黄的关系最近, 但仍不能肯定斑子麻黄是否为麻
黄类的最原始类群 , 还需要更多的取样和更多的分








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图 1 基于叶绿体 matK 与 rbcL 基因以及核糖体 18S 基因与 ITS 序列联合数据集构建的 ML 系统树
图中数字表示分支自展支持率(%); * 代表外类群


1) 王庆彪, 等. 裸子植物中麻黄碱类化合物起源的分子系统发育证据(待发表)
子序列 . 我们进一步的工作将围绕麻黄碱化合物在
麻黄类及裸子植物中的分布与起源研究开展 1).
致谢 本 工 作 为 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 (批 准 号 :
2003CB715904)和国家自然科学基金 (批准号 : 30230030,
30370105)资助项目.
参 考 文 献
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