全 文 ：植 物 分 类 学 报 44 (2): 135–147(2006) doi:10.1360/aps040013
Acta Phytotaxonomica Sinica http://www.plantsystematics.com
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2004-02-04收稿, 2005-06-06收修改稿。
* 通讯作者(Author for correspondence. E-mail: szzhang@yahoo.com.cn)。
用matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系
1, 2王亚玲 2李 勇 2张寿洲* 2余兴生
1(西北农林科技大学生命科学学院 陕西杨凌 712100)
2(深圳仙湖植物园 深圳 518004)
The utility of matK gene in the phylogenetic analysis of
the genus Magnolia
1,2WANG Ya-Ling 2 LI Yong 2 ZHANG Shou-Zhou* 2YU Xing-Sheng
1(School of Life Sciences, Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry, Yangling, Shaanxi 712100, China)
2(Shenzhen Fairy Lake Botanical Garden, Shenzhen 518004, China)
Abstract A phylogenetic analysis of the Magnoliaceae was performed based on sequence
data of the chloroplast matK gene in 57 species representing 11 genera. The results show that
(1) the genus Magnolia might be a polyphyletic group; (2) Magnolia subgenus Yulania should
be elevated to the generic rank; (3) the section Splendentes in Magnolia subgenus Magnolia
had a very close relationship with the two American species in the section Rytidospermum, M.
macrophylla and M. dealbata, and the section Gwillimia was close to the section Theorhodon;
(4) the generic status of the genus Talauma was highly supported when its Asian section
Blumiana was shifted to Magnolia; and (5) the genus Parakmeria formed a clade with the two
genera Kmeria and Manglietiastrum; and they all had a close relationship with Magnolia
subgenus Yulania and the genus Michelia. The position of flower buds, a major feature which
had been previously employed to differentiate Michelieae and Magnolieae, turned out to be an
unreliable character obscuring the distinction between the two tribes. The traditional
circumscription of these two tribes should be emended. Magnolia and Michelia would
become two well-defined genera when the subgenus Yulania was segregated from Magnolia
to be treated as an independent genus.
Key words Magnoliaceae, Magnolia, matK gene, phylogenetic analysis.
摘要 用木兰科Magnoliaceae 57种植物的matK基因序列构建了该科的系统发育分支图。结果表明: (1)
木兰属Magnolia L.是一个因为性状的趋同演化而建立的多系类群; (2)木兰亚属subgen. Magnolia和玉兰
亚属subgen. Yulania (Spach) Reichenb.亲缘关系较远, 支持将后者从该属中分出建立玉兰属Yulania
Spach, 木兰亚属作为木兰属保留; (3)木兰亚属的sect. Splendentes Dandy ex Vazquez组与皱种组sect.
Rytidospermum Spach的两个美洲种M. macrophylla Michaux和M. dealbata Zucc.亲缘关系较近, 荷花玉
兰组sect. Theorhodon Spach与常绿组sect. Gwillimia DC.的亲缘关系较近; (4)盖裂木属Talauma Juss.可以
成立, 而其分布于亚洲的Blumiana Blume组可归入木兰属; (5)拟单性木兰属Parakmeria Hu & Cheng、华
盖木属Manglietiastrum Law以及单性木兰属Kmeria (Pierre) Dandy形成一个单系群, 与玉兰亚属和含笑
属Michelia L.的亲缘关系较近。花的着生位置不足以作为木兰科的分族依据, 含笑族Michelieae和木兰
族Magnolieae的特征及其界定应做修改。将玉兰亚属从木兰属分出后, 木兰属与含笑属无性状交叉，成
为两个区别明显的属。
关键词 木兰科; 木兰属; matK基因; 系统发育分析
植 物 分 类 学 报 44卷 136
木兰属Magnolia L.为木兰科Magnoliaceae种类最多的属, 约有75种, 占全科总数的
1/3, 同时也是该科中分布最广的类群, 分布于亚洲、美洲的亚热带和温带, 在热带地区
也有少量分布(刘玉壶, 1984)。木兰属在性状上与木兰科其他属有很多交叉, 如木兰属木
兰亚属subgen. Magnolia Dandy的雌蕊群柄组sect. Gynopodium Dandy与拟单性木兰属
Parakmeria Hu & Cheng在雌蕊群具柄、具雄株和两性株的性状上有交叉(胡先骕, 郑万钧,
1951); 荷花玉兰组sect. Theorhodon Spach和木莲属Manglietia Bl.具有结构相近的花和果
实(刘玉壶, 1984); 木兰属玉兰亚属subgen. Yulania (Spach) Reichenb.和含笑属Michelia L.
都有腋生花(Figlar, 2000)。因此，木兰属植物的主要特征 (顶生花、每心皮2胚珠)存在一
定程度的变异, 以致与其他属界限不清。这是木兰科分类的焦点问题之一。
木兰科的分类系统主要有3个, 即Dandy(1964)系统、刘玉壶(1984)系统、Nooteboom
(1985, 2000)系统。在Dandy系统中, 木兰属包含拟单性木兰属。Nooteboom 1985年的系
统里, 木兰属包含长蕊木兰属Alcimandra Dandy、香木兰属Aromadendron Blume、南美盖
裂木属Dugendiodendron G. Lozano、华盖木属Manglietiastrum Law、拟单性木兰属、盖裂
木属Talauma Juss.; 其2000年的系统里，木兰属包括了除厚壁木属Pachylarnax Dandy和
鹅掌楸属Liriodendron L.外的所有属, 并最终将木兰科中除鹅掌楸属外的其他属都归入
木兰属(Figlar & Nooteboom, 2004)。本文采用刘玉壶系统(1984), 该系统中木兰属包括木
兰亚属和玉兰亚属, 其中木兰亚属下分8个组, 玉兰亚属下分2个组。
利用一个合适的分子标记进行系统学研究, 能较为客观地解决植物类群中的网状进
化事件。matK基因约1500个碱基对, 位于叶绿体赖氨酸tRNA基因(trnK)的内含子内, 为
单拷贝编码基因(Hilu & Liang, 1997), 是现知被子植物中进化速率较快的基因, 多用于
科下属间系统发育关系的研究, 已在木兰科生物地理学(Azuma et al., 2001)、含笑属系统
发育(金虹等，1999)、木兰科系统发育(Azuma et al., 1999, 2000; Shi et al., 2000; Ueda et al.,
2000)等方面的研究中得到应用。由于研究目的以及所选用的物种不同, 目前只有有限的
种类用于木兰科分子系统学研究中。本研究利用GenBank中已注册的43个木兰科matK序
列以及本次测定的14个种类的matK序列构建木兰科植物系统发育树, 旨在用尽可能多的
种类对木兰属的系统发育关系进行研究, 并对基于matK序列所推测的种间亲缘关系与传
统分类所推测的种间亲缘关系的一致性进行探讨。
1 材料和方法
1.1 材料
材料主要采自深圳市仙湖植物园和中国科学院华南植物园木兰园, 凭证标本存放在
仙湖植物园标本馆(SZG)。其余43个木兰科植物的matK序列均取自GenBank(NCBI)。共
有57个样本参与到系统分析中: 木兰属31种、木莲属6种、含笑属4种、盖裂木属6种、华
盖木属1种、拟单性木兰属3种、单性木兰属Kmeria (Pierre) Dandy 1种、长蕊木兰属1种、
合果木属Paramichelia Hu 1种、观光木属Tsoongiodendron Chun 1种和鹅掌楸属2种(表1)。
1.2 DNA提取
选用新鲜幼嫩的叶片作为材料, 采用改进的CTAB法(Doyle & Doyle, 1987)提取总
DNA。
2期 王亚玲等: 用 matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系 137
表1 材料来源及GenBank序列号*
Table 1 Source of materials and GenBank accession numbers*
分类群
Taxon
来源
Source
凭证标本
Voucher
序列号GenBank
Accession No.
地理分布1)
Distribution1)
木兰亚科subfamily Magnolioideae
木兰族tribe Magnolieae
木莲亚族subtribe Manglietiinae
木莲属Manglietia Bl.
红花木莲M. insignis (Wall.) Bl. from GenBank GBAN-AB055543 Asia
落叶木莲M. decidua Q. Y. Zheng from GenBank GBAN-AB055542 Asia
球果木莲M. conifera Dandy from GenBank GBAN-AB055541 Asia
海南木莲M. hainanensis Dandy from GenBank GBAN-AF123478 Asia
毛桃木莲M. moto Dandy from GenBank GBAN-AF123477 Asia
华盖木属Manglietiastrum Law
华盖木M. sinicum Law from GenBank GBAN-AF123479 Asia
木兰亚族subtribe Magnoliinae
木兰属Magnolia L.
木兰亚属subgen. Magnolia Dandy
常绿组sect. Gwillimia DC.
夜香木兰M. coco (Lour.) DC. from GenBank GBAN-AB021004 Southeastern
China
绢毛木兰M. albosericea Chun & C.
Tsoong
from GenBank GBAN-AF123464 Southeastern
China
大叶玉兰M. henryi Dunn from GenBank GBAN-AF209199 Southeastern
China
山玉兰M. delavayi Franch. from GenBank GBAN-AB021005 Southeastern
China
红花山玉兰M. delavayi Franch.
(red flowered)
Fairylake
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 004
GBAN-AF548651 Southeastern
China
香港木兰M. championii Benth. South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 010
GBAN-AF548648 Southeastern
China
勐仑木兰M. menglunica Q. W. Zeng &
Law
South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 024
GBAN-AF548639 Southeastern
China
长叶木兰M. paenetalauma Dandy South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 013
GBAN-AF548644 Southeastern
China
香木兰M. guangnanensis Law & S. C.
Yang
South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 034
GBAN-AF548645 Southeastern
China
上思木兰M. shangsiensis Law, R. Z. Zhou
& H. F. Chen
South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 015
GBAN-AF548647 Southeastern
China
显脉木兰M. phanerophlebia B. L. Chen South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 016
GBAN-AF548652 Southeastern
China
馨香玉兰M. odoratissima Law & R. Z.
Zhou
South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 005
GBAN-AF548646 Southeastern
China
翅喙组sect. Lirianthe (Spach) Dandy
M. pterocarpa Roxb. from GenBank GBAN-AB055528 Asia
皱种组sect. Rytidospermum Spach
M. dealbata Zucc. from GenBank GBAN-AB055525 America
日本厚朴M. hypoleuca Sieb. & Zucc. South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 018
GBAN-AF548650 Asia
凹叶厚朴M. officinalis Rehd. & Wils. ssp.
biloba (Rehd. & Wils) Law
South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 019
GBAN-AF548643 Asia
三瓣木兰M. tripetala L. South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 025
GBAN-AF548649 America
M. macrophylla Michaux South China
Botanical Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 012
GBAN-AF548638 America
天女木兰组sect. Oyama Nakai
天女木兰M. sieboldii K. Koch from GenBank GBAN-AB055526 Eastern Asia
西康玉兰M. wilsonii (Finet & Gagnep.)
Rehd.
from GenBank GBAN-AB055527 Eastern Asia
植 物 分 类 学 报 44卷 138
表1 (续) Table 1 (continued)
分类群
Taxon
来源
Source
凭证标本
Voucher
序列号GenBank
Accession No.
地理分布1)
Distribution1)
Sect. Splendentes Dandy ex Vazquez
M. splendens Urb. from GenBank GBAN-AB055524 Caribbean
M. portoricensis Bello. from GenBank GBAN-AB055523 Caribbean
荷花玉兰组sect. Theorhodon Spach
M. pacifica Vazquez from GenBank GBAN-AB055521 America
M .iltisiana Vazquez from GenBank GBAN-AB055520 America
M. yoroconte Dandy. from GenBank GBAN-AB055522 America
M. schiedeana Schlecht. from GenBank GBAN-AB055550 America
荷花玉兰M. grandiflora L. Fairylake Botanical
Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 007
GBAN-AF548640 America
Sect. Maingola Dandy
M. carsonii Dandy ex Noot. from GenBank GBAN-AB055529 Tropical Asia
玉兰亚属subgen. Yulania (Spach) Reichenb.
玉兰组sect. Yulania (Spach) Dandy
玉兰M. denudata Desr. from GenBank GBAN-AF123465 Eastern Asia
凹叶木兰M. sargentiana Rehd. & Wils from GenBank GBAN-AB055532 Eastern Asia
滇藏木兰M. campbellii Hook. f. &
Thoms.
from GenBank GBAN-AB055531 Eastern Asia
望春玉兰组sect. Buergeria (Sieb.& Zucc.) Dandy
M. pseudokobus S. Abe & A Kasawa from GenBank GBAN-AB040152 Eastern Asia
盖裂木属Talauma Juss.
T. mexicana DC. from GenBank GBAN-AB055536 America
T. ovata (A.St.Hil.) Spreng. from GenBank GBAN-AB055537 America
T. dodecapetala (Lam.) Govaerts from GenBank GBAN-AB055534 America
T. caricifragrans (Lozano) Govaerts from GenBank GBAN-AB055533 America
T. minor (Urb.) Govaerts from GenBank GBAN-AY055535 America
盖裂木T. hodgsoni Hook. f. & Thoms. Fairylake Botanical
Garden
王亚玲
(Y. L. Wang) 009
GBAN-AF548642 Southeastern
China
拟单性木兰属Parakmeria Hu & Cheng
峨嵋拟单性木兰P. omeiensis Cheng from GenBank GBAN-AF123476 Asia
云南拟单性木兰P. yunnanensis Hu from GenBank GBAN-AF123474 Asia
乐东拟单性木兰P. lotungensis (Chun &
C. Tsoong) Law
from GenBank GBAN-AF123475 Asia
单性木兰属Kmeria (Pierre) Dandy
单性木兰K. septentrionalis Dandy from GenBank GBAN-AF107930 Asia
长蕊木兰属Alcimandra Dandy
长蕊木兰A. cathcartii (Hook. f. &
Thoms.) Dandy
from GenBank GBAN-AF123473 Asia
含笑族tribe Michelieae
含笑亚族subtribe Micheliinae
含笑属Michelia L.
醉香含笑M. macclurei Dandy from GenBank GBAN-AB055546 Asia
金叶含笑M. foveolata Merr. ex Dandy from GenBank GBAN-AF123468 Asia
含笑花M. figo (Lour.) Spreng. from GenBank GBAN-AF123467 Asia
白兰M. alba DC. from GenBank GBAN-AF123466 Asia
合果木属Paramichelia Hu
合果木P. baillonii (Pierre) Hu from GenBank GBAN-AF123469 Asia
观光木属Tsoongiodendron Chun
观光木T. odorum Chun from GenBank GBAN-AF123470 Asia
鹅掌楸亚科Subfamily Liriodendroideae
鹅掌楸属Liriodendron L.
北美鹅掌楸L. tulipifera L. from GenBank GBAN-AY123480 America
鹅掌楸L. chinense (Hemsl.) Sargent from GenBank GBAN-AF123481 Asia
*根据刘玉壶(1984)系统。地理分布依据Nooteboom (2000)。
* The classification system follows Law (1984). The information of geographical distribution is from Nooteboom (2000).
2期 王亚玲等: 用 matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系 139
1.3 matK区的扩增及纯化
根据GenBank内已注册的木兰科植物trnK基因序列, 将matK序列分为3段, 应用
OLIGOS软件(Kalendar, 2002)设计引物(表2); 应用正向、反向的引物扩增出matK片段。
扩增反应在Eppendorf梯度PCR扩增仪上进行, 反应体系为25 µL, 包括DNA 20–40 ng, 引
物10 pmol, dNTP 0.1 mmol/L, Taq DNA聚合酶1 U。扩增程序为: 94 ℃, 3 min→94 ,℃ 30
s→56 ,℃ 40 s→72 ,℃ 110 s→36个循环→72 ,℃ 7 min。扩增产物用浓度为1.5%的琼脂糖
凝胶, 在1×TAB缓冲液中以3.7 V/cm的电压电泳2.5 h后, 割下具matK片段的胶块, 用
Sangon公司的SK131型UNIQ-10柱式DNA胶回收试剂盒进行DNA的回收和纯化。

表2 木兰科matK扩增及测序引物
Table 2 Primers used for PCR and sequencing in the Magnoliaceae
引物
Primer
序列
Sequence
matK正向 5-ACCCTGTTCTGACCGTATCGC
matK反向 5-TCCATTTACATGATCCCATGACC
matK测序 5-TGAATCCGTATTAGTGTTTCTCCG

1.4 matK区DNA测序
测序反应依据双脱氧链终止法(Sanger et al., 1977)原理, 在上述PCR仪上进行, 反应
体系10 µL, 包括BigDye Mix 2 µL, 引物5 pmol, 模板20–40 ng, 测序反应程序为98 , 2℃
min→94 ,℃ 30 s→56 ℃, 30 s→60 ℃, 4 min→25个循环。反应产物经预冷的无水乙醇沉
淀, 70%乙醇清洗一次后吹干, 加甲酰胺10 µL, 94 ℃变性5 min后, 置于冰水混合物中备
用, 在ABI3100型自动测序仪上进行序列测定, 并对测定结果进行手工校对。
1.5 数据分析
将从GenBank中得到的43个木兰科植物matK序列和本次测定的14个序列用BioEdit
软件(Hall, 1999)进行格式转换和排序后, 再用PAUP 4.0b10软件(Swofford, 1998)进行统计
分析和分支分析。现有的形态学(刘玉壶, 1984)、分子系统学证据(Kim et al., 2001)均表明,
鹅掌楸属为与木兰科其他属可以明显区分的类群, 所以本研究选用鹅掌楸亚科subfamily
Liriodendroideae的鹅掌楸和北美鹅掌楸为外类群构建系统树。空位(gap)处理作缺失
(missing)状态。最简约树(MP)采用Heuristic法寻找。用bootstrap值检验简约树中各分支的
置信度, 自展数据集为1000次。
2 结果
57个木兰科植物的matK序列排列后的总长度为1459 bp, 用PAUP 4.0b10进行运算。
有136个变异位点, 其中67个为信息位点。用Heuristic法找到176棵最简约树, 用严格一致
性树(strict consensus tree)进行系统分析(图1)。步长为176, 一致性指数(CI)和保持指数(RI)
分别为0.8068和0.9058。
植 物 分 类 学 报 44卷 140


图1 基于matK序列分析得到的最大简约树
Fig. 1. The strict consensus tree of 176 most parsimonious trees generated from matK sequences. Numbers above the
branches represent bootstrap values (only ones>50% are shown).
2期 王亚玲等: 用 matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系 141
以鹅掌楸和北美鹅掌楸为外类群, 木兰亚科的分支得到89%的bootstrap值支持。木兰
亚科形成2个分支, 其中盖裂木属分布于美洲的5个种成为一个单系类群(分支B), 得到
93%的bootstrap值高度支持, 并与木兰亚科的其他种成为姊妹类群。
木兰亚科的其他种形成另一个分支, 得到55% bootstrap值支持(分支A)。分支A有4个
亚分支(分支I、II、III、IV)。分支I主要由玉兰亚属、含笑属和拟单性木兰属组成, 合果
木属、观光木属、长蕊木兰属、木兰亚属的Maingola组、单性木兰属和华盖木属嵌在其
中, 此关系得到82%的bootstrap值支持, 显示这几个属存在较近的亲缘关系。该分支由Ia、
Ib、Ic 3个次级分支组成: 玉兰亚属4个种为一个有62%的bootstrap值支持的分支(Ia); Ib由
花腋生的含笑属的4个种、观光木Tsoongiodendron odorum Chun、合果木Paramichelia
baillonii (Pierre) Hu以及花顶生的长蕊木兰Alcimandra cathcartii (Hook. f. & Thoms.)
Dandy、木兰亚属Maingola组的Magnolia carsonii Dandy ex Noot.组成, 有67%的支持率;
拟单性木兰属的 3个种和华盖木Manglietiastrum sinicum Law、单性木兰Kmeria
septentrionalis Dandy组成分支Ic, 这个由花两性、杂性到单性的种类组成的分支得到53%
的bootstrap值支持, 显示这3个属间有较近的亲缘关系。
分支II由木兰亚属的天女木兰组sect. Oyama Nakai、皱种组sect. Rytidospermum Spach
的2个亚洲种和1个美洲种以及木莲属的5个种构成, 有76%的bootstrap值支持。其中木莲
属形成一个被高度支持(95%)的单系类群(分支IId)。落叶木莲Manglietia decidua Q. Y.
Zheng为落叶种类, 与木莲属的其他常绿种类不同, 据此曾建立华木莲属Sinomanglietia
Z. X. Yu (俞志雄, 1994), 后因其主要性状仍与木莲属其他种类相同, 该种被并回木莲属
(刘玉壶, 2004)。落叶木莲的matK序列与红花木莲M. insignis (Wall.) Bl.、球果木莲M.
conifera Dandy只有3个碱基的差异。天女木兰组的2个种西康玉兰Magnolia wilsonii (Finet
& Gagnep.) Rehd.和天女木兰M. sieboldii K. Koch以53%的支持率聚在一起。皱种组中2个
亚洲种日本厚朴M. hypoleuca Sieb. & Zucc.和凹叶厚朴M. officinalis Rehd. & Wils. ssp.
biloba (Rehd. & Wils) Law关系较近, 与分布于美洲的三瓣木兰M. tripetala L.关系较远。
分支III主要由木兰亚属的荷花玉兰组和常绿组两个亚分支组成, bootstrap值为69%。
荷花玉兰组5个分布于北美的种以99%的置信度聚在一起。主要由常绿组形成的分支IIIb
有84%的支持率, 木兰亚属翅喙组sect. Lirianthe (Spach) Dandy的M. pterocarpa Roxb.和
盖裂木属中唯一在中国有分布的盖裂木Talauma hodgsoni Hook. f. & Thoms. Fl.嵌在常绿
组中。
山玉兰M. delavayi Franch.和红花山玉兰M. delavayi Franch.只有1个共衍变异位点,
形成的分支支持率只有53%, 并与常绿组的其他种类互为姊妹类群。红花山玉兰作为山
玉兰的颜色变异类型, 其matK序列相对原种在646位点(位点均从起始密码子处开始计
算)处有1个T→C的转换。大叶玉兰M. henryi Dunn和绢毛木兰M. albosericea Chun & C.
Tsoong形成一个置信度较高的分支(支持率75%), 并与其他常绿组种类形成又一姊妹类
群。除山玉兰、大叶玉兰和绢毛木兰以外的常绿组其他8个种和M. pterocarpa Roxb.、盖
裂木形成的分支有61%的支持率。这几个种均分布于中国东南、西南以及东南亚地区。
大叶玉兰和盖裂木, 香港木兰M. championii Benth.、长叶木兰M. paenetalauma Dandy、馨
香玉兰M. odoratissima Law & R. Z. Zhou、香木兰M. guangnanica Law & S. C. Yang、上思
植 物 分 类 学 报 44卷 142
木兰M. shangsiensis Law, R. Z. Zhou & H. F. Chen和勐仑木兰M. menglunica Q. W. Zeng &
Law在花和叶的形态上很相似, 但几个种在matK碱基序列上有差异: 长叶木兰在330位
点处有一个G→A的转换 , 馨香玉兰在 929处有一个A→C的颠换 , 显脉木兰M.
phanerophlebia B. L. Chen在1086位点有一个T→G的颠换。翅喙组的M. pterocarpa在717
和926位点处有C→T的转换和G→C的颠换。夜香木兰M. coco (Lour.) DC.、香港木兰、勐
仑木兰有1个共衍变异位点, 并以56%的支持率聚在一起, 这3个种的matK序列完全相
同。形态上, 夜香木兰全体无毛, 花果下垂, 与后两者的明显不同。香木兰、上思木兰、
盖裂木3个种的序列相同, 但3个种在外部形态上差别较大。而大叶玉兰和盖裂木在形态
上非常相似, 没有果实两个种很难区别, 但两个种的matK序列相差了14个碱基, 亲缘关
系也较远: 大叶玉兰和绢毛木兰聚在一起, 盖裂木和馨香玉兰、香木兰等9个种形成一个
分支。
分支IV由木兰亚属的Splendentes Dandy ex Vazquez组(分支IVa)和皱种组的美洲种M.
macrophylla Michaux.、M. dealbata Zucc.(分支IVb)组成, 有57% bootstrap值支持。
在本研究中, 有几个种的matK序列完全相同: 盖裂木属的Talauma dodecapetala
(Lam.) Govaerts和T. caricifragrans (Lozano) Govaerts, 木莲属的红花木莲和球果木莲, 木
兰属常绿组的夜香木兰、勐仑木兰和香港木兰, 香木兰、上思木兰和盖裂木, 荷花玉兰组
的M. pacifica Vazquez和M. iltisiana Vazquez, 拟单性木兰属的峨眉拟单性木兰
Parakmeria omeiensis Cheng和云南拟单性木兰P. yunnanensis Hu。这些种在外部形态上,
有的较相似, 有的差异明显, 反映了木兰科植物的形态差异和基因变异有一定的不同步
性。
3 讨论
测定的1459个matK序列的碱基变异率为9.27%, 在木兰科系统研究中用过的叶绿体
DNA序列中, matK属变异率较高的。但相对其他被子植物, 木兰科matK序列的碱基变异
位点要少得多 , 表明木兰科植物在约1亿年的演化历程中 , cpDNA序列进化得很慢
(Azuma et al., 1999, 2000, 2001; Ueda et al. , 2000; Kim et al., 2001; 王亚玲等, 2002)。
在系统发育树的主要分支上, matK和ndhF序列、RFLP、RAPD等分子标记的分析结
果基本一致, 仅在个别类群的位置上有差异(Qiu et al., 1995; Zeng et al., 2000; Kim et al.,
2001): 在matK序列构建的系统树中, 木兰属的Splendentes组和皱种组的美洲种有较近的
亲缘关系, 单性木兰属和拟单性木兰属、华盖木属的亲缘关系较近, 而在ndhF序列构建
的系统树中, Splendentes组和分布于美洲的盖裂木属植物亲缘关系较近, 单性木兰属和
皱种组的2个美洲种亲缘关系较近。主要的结论有以下几点。
3.1 木兰属为一个多系类群
在以往主要根据形态性状建立的木兰科分类系统中, 木兰属具顶生花, 雌蕊群无柄,
心皮分离, 胚珠2枚, 包括木兰亚属和玉兰亚属(Dandy, 1964, 1978; 刘玉壶, 1984)。matK
序列分析结果显示木兰属为一个多系起源的趋同演化类群: 玉兰亚属为一个单系群, 与
木兰亚属的亲缘关系较远, 而与含笑属及华盖木属、拟单性木兰属的亲缘关系较近。形
2期 王亚玲等: 用 matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系 143
态上, 木兰亚属花粉粒通常较大, 覆盖层光滑, 近似盖裂木属和木莲属, 而玉兰亚属的花
粉粒小, 侧面观形态及表面雕纹与含笑属类似(Praglowski, 1974); 木兰亚属种子内种皮
合点区多为孔状, 很少管状, 属分化程度较低的类群, 而玉兰亚属内种皮合点区为复合
管的窝状, 附属物发达呈板状, 属分化程度较高的类群(张冰, 2001); 木兰亚属与玉兰亚
属不仅因花期不遇而有生殖隔离, 人工杂交也不能结实或F1代无活力, 而木兰科其他属
内的种间通过人工杂交均能正常结实(龚洵等, 2001; 王亚玲等, 2003)。玉兰亚属与含笑亚
属均为预生分枝(prolepsis), 木兰亚属中除天女木兰组外均为同生分枝(syllepsis)(Figlar,
2000)。RFLP标记、其他cpDNA序列分析也得出了同样的结果(Qiu et al., 1995; Azuma et
al., 1999, 2000, 2001; Ueda et al., 2000; Kim et al., 2001)。傅大立(2001)提出: 玉兰亚属与
木兰亚属为趋同演化的2个并系类群, 建议恢复玉兰属Yulania Spach。玉兰亚属与木兰亚
属的界限清楚, 应分开, 并保留木兰属。
3.2 木兰属和盖裂木属的关系
盖裂木属间断分布于东亚至东南亚和中美洲、南美洲的热带与亚热带地区。
Nooteboom(2000, 2004)将盖裂木属作为木兰属盖裂木组sect. Talauma Baill.处理。在matK
序列分析中, 盖裂木属分布于美洲的5个种形成一个单系类群, 支持率为93%, 与木兰亚
属的其他种类成为姊妹类群。而分布于亚洲的盖裂木属植物(Blumiana Blume组)则与产于
东南亚的木兰亚属常绿组的种类成为单系。在形态上, 盖裂木属的成熟蓇葖果周裂, 木兰
属为沿背缝线开裂。而木兰属的常绿组、翅喙组与盖裂木属Blumiana组形态上非常相似,
有些种类没有果实很难区别, 如盖裂木与大叶玉兰。分布于亚洲和美洲的两个盖裂木类
群应是来自不同祖先而形态相似的不同类群, 是趋同演化的结果。ndhF序列分析也得出
类似的结果(Kim et al., 2001)。
因此我们认为分布于亚洲的Blumiana组应该从盖裂木属中分出来, 并入木兰属; 分
布于美洲的盖裂木属种类与木兰属的关系较远, 盖裂木属可以成立。
3.3 木兰属与木莲属的关系
Dandy(1964)最先以胚珠数不同为由将木莲属(具4枚以上胚珠)和木兰属(具2枚胚珠)
分开。但木兰属的长叶木兰、山玉兰中也存在着多胚珠现象(2–7枚)(龚洵等, 1999); 两属
在木材解剖、花粉形态(外壁雕纹和外壁结构)上很相似(张哲僧, 1974; Praglowski, 1974);
李捷(1997)用27个形态特征进行的分支分析结果支持木兰属和木莲属是一个单系类群的
观点。但两属还存在很多明显的差异: 在木兰科中仅木莲属叶脉末端无石细胞, 而叶肉、
表皮和皮层中有石细胞(Tucker, 1977); 该属的正常表皮细胞被表皮毛基所取代, 当毛脱
落后便在表皮角质层膜上留下一个孔 , 此种原始结构在木兰科中也仅见于木莲属
(Baranova, 1972); 木莲属种子内种皮合点区形态全为孔型, 且内种皮表面粗糙, 有瘤状
突起, 种脊凹痕宽而深, 与木兰属的孔型种类明显不同(张冰, 2001); 木莲属与木兰属也
不能像木兰科其他近缘属可以通过人工杂交产生有活力的F1代(龚洵等, 2001; 王亚玲等,
2003)。
matK序列分支结果也显示, 木莲属是一个置信度较高的单系类群(91%)。其分布主要
在云南、广西、广东等省区, 在越南、缅甸等东南亚地区仅有少量的分布。相对集中的
地理分布也反映到了基因水平上, 木莲属种间序列变异很小。ndhF序列分析也高度支持
植 物 分 类 学 报 44卷 144
木莲属为一单系类群(Kim et al., 2001)。
matK序列分析结果以76%的bootstrap值支持木莲属和木兰属的皱种组与天女木兰组
亲缘关系较近。这两个组都为木兰亚属中的落叶类群, 皱种组的叶集生于枝顶的习性也
类似木莲属。综合考虑形态特征, 木莲属与木兰属的属间界限清楚, 木莲属的系统地位应
被承认。
3.4 含笑属与木兰属的关系
根据花腋生和顶生的不同, 刘玉壶(1984)将木兰亚科分为木兰族和含笑族。在matK
分支图中, 木兰族的玉兰亚属、拟单性木兰属、单性木兰属、华盖木属、长蕊木兰属与
含笑族的3个属形成一个单系类群, 83%的bootstrap值显示了这些顶花类群和腋花类群具
较近的亲缘关系, 顶生花和腋生花不足以作为分族依据。Nooteboom(1985)提出“含笑属
的腋生单花是顶生于侧生短枝上, 其实质也是顶生”的观点, 并将含笑属作为合并后的
木兰属的一个组sect. Michelia (L.) Baill. (Nooteboom, 2000)。我们认为, 分族处理可以使
人更清楚地理解木兰科内各属的进化关系, 可以采用, 但不应以花的着生位置作为分族
的依据, 且应将玉兰亚属、长蕊木兰属、拟单性木兰属、单性木兰属、华盖木属等归入
含笑族中。花腋生是非常稳定的遗传性状, 可以作为分属的依据, 支持含笑属成立。
matK序列分析显示木兰亚属Maingola组的Magnolia carsonii与含笑属有很近的亲缘
关系, 该结果与木兰科的ndhF序列分析相一致。该组分布于热带亚洲, 有着与含笑属相
同的圆柱状果实。该组系统地位的确立还需更多的证据。
3.5 木兰属和几个单寡种属的关系
华盖木为刘玉壶先生1979年发表的一个种, 并以其幼叶平展、导管分子的胞壁有螺
纹加厚与木兰属和木莲属植物不同而建立华盖木属。Nooteboom(1985)将该种归入木兰
属, 后Chen和Nooteboom (1993)将其归入木莲属。
拟单性木兰属的花从两性到杂性, 最先被处理为木兰属雌蕊群柄组sect. Gynopodium
(Dandy, 1978; Nooteboom, 1985; Chen & Nooteboom, 1993), 后被处理为拟单性木兰属
(Hu & Cheng, 1951; 刘玉壶, 1984, 2004 )。matK和ndhF序列分析(Kim et al., 2001)都显示
华盖木属和拟单性木兰属亲缘关系较近。形态上二者均为常绿乔木, 全株无毛, 托叶与叶
柄离生, 幼叶在芽中不对折而抱住幼芽, 雌蕊群具柄, 木材导管具螺纹加厚。
单性木兰属是木兰科中唯一花单性、雌雄异株的属。在花粉形态上, 单性木兰属与
拟单性木兰属相似, 花粉萌发实验也表明拟单性木兰属实为生理上的雌雄异花。拟单性
木兰属为木兰科中两性花向单性花过渡的中间类群 (徐凤霞 , 1998, 2002)。
Nooteboom(2000)最终将华盖木属、拟单性木兰属、单性木兰属归入木兰属。matK序列
分析结果显示了这3个属有较近的亲缘关系, 并得到53%的bootstrap值支持。这3个属都与
木兰属玉兰亚属和含笑属的亲缘关系较近, 而与木兰属木兰亚属和木莲属关系较远。本
文结果不支持将这3个属归入木兰属或木莲属, 而应归入含笑族。
3.6 木兰属中几个组之间的亲缘关系
荷花玉兰组与常绿组(包括翅喙组和盖裂木)形成一个有69% bootstrap值支持率的单
系类群。RFLP的分析结果显示山玉兰和荷花玉兰有较近的亲缘关系(Qiu et al., 1995)。荷
2期 王亚玲等: 用 matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系 145
花玉兰组主要分布在北美洲, 常绿组主要分布在东南亚和中国的东南和西南部, 两个组
虽地理分布上完全隔离, 但组间可产生有活力的人工杂交F1代(龚洵等, 2001; 王亚玲等,
2003)。
常绿组的12个种和翅喙组的M. pterocarpa以及盖裂木属的盖裂木都分布在亚洲的东
南部, 在形态和基因水平上也都是相对一致的单系类群(有84%的bootstrap值支持)。ndhF
序列分析也得到与此相同的结果, 故应将盖裂木从盖裂木属分出归入到木兰属常绿组。
翅喙组的M. pterocarpa在形态上跟常绿组植物非常相似, 只是其蓇葖果的喙更长, 形成
背面平且多少有些弯曲的革质附属物。序列分析显示该种与香港木兰等常绿组植物关系
很近, 两个组应予合并。
Dandy原将Splendentes组的几个种置于荷花玉兰组中, 后Vázquez-Garcia(1994)将这
几个种分出来, 建立了Splendentes组。形态上, 分布于加勒比海地区的Splendentes组植物
雄蕊先端延伸成一个长刚毛状的附属物, 分布于北美地区的荷花玉兰组植物雄蕊顶端仅
为一个短的尖头。matK的分支结果显示该组与荷花玉兰组的亲缘关系很远, 与皱种组分
布于美洲的M. macrophylla和M. dealbata有较近的关系, 支持将Splendentes组从荷花玉兰
组中分出来。
matK分支分析与其他序列分析结果相同: 间断分布的皱种组是个趋同演化的多系类
群: 分布于美洲的种类M. macrophylla和M. dealbata与Splendentes组关系较近, 分布于美
洲的三瓣木兰与皱种组亚洲类群近缘。而且, 三瓣木兰与M. macrophylla人工杂交后不能
结实或杂种无活力, 与分布于亚洲的厚朴M. officinalis Rehd. & Wils.可产生有活力的杂
种(Qiu et al., 1995)。
4 结论
matK序列分支分析和形态解剖学的研究成果表明, 木兰属是一个多系起源的趋同演
化类群, 玉兰亚属从木兰属中分出来归入含笑族后, 可以很好地解决木兰属与其他属间
的形态交叉问题。研究结果支持木兰属、玉兰属、木莲属、盖裂木属、含笑属成立。由
于地理隔离所引起的趋同演化事件在木兰科中有很多, 而地理分布相对较集中的类群有
着相对较一致的基因变异, 如木莲属、木兰属常绿组、荷花玉兰组等。
有些形态上类似的种类, 在序列水平上却有较大差异(如大叶玉兰和盖裂木), 有些
种类虽在形态上有明显的差异, matK序列却是相同的(如香港木兰和夜香木兰), 说明基
因水平的进化与形态特征的演化不是完全平行的。
致谢 中国科学院华南植物研究所植物园曾庆文高级工程师为本实验提供部分测序材
料, 在此深表谢意。
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