全 文 ：第 23 卷　第 4 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2003年　10 月
Vol.23　No.4　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Oct., 　2003
用 rDNA 的 ITS 序列探讨绵刺属的系统位置
赵 一 之1　成 文 连1　尹 俊2　曹 瑞1　张 竞秋1
(1.内蒙古大学生命科学学院 , 呼和浩特　010021)
(2.内蒙古农业大学生物工程系 , 呼和浩特　010020)
摘　要　绵刺属由于其特殊的形态特征 ,其系统位置至今仍存在争议 。本文选定了蔷薇亚科 6
种植物和李亚科1种植物 ,扩增并测定了其核糖体DNA的 ITS序列(不包括5.8S片断)。分析
时又从 GenBank中选取了蔷薇科另外 5种植物的 ITS 序列共同分析。比较这 12 种植物的
ITS1+I TS2 , 发现不同植物间序列长度变异较大 。 ITS1 的长度范围为 224 ～ 266 bp , I TS2的
长度范围为 202 ～ 221 bp。用 PAUP 3.1.1软件对 12种植物的 ITS1+ITS2进行分析 ,结果表
明蔷薇亚科中和绵刺属亲缘关系最近的属为金露梅属 ,其次为地蔷薇属 ,再次为山莓草属 ,而这
4个属均具有花柱基侧生的特点 ,这与传统上依据花托杯状或坛状将绵刺属放在蔷薇属和龙牙
草属附近的处理不符 。系统树上李亚科的 2种植物明显地聚为一个单系类群 ,说明绵刺与蒙古
扁桃关系相对甚远。研究结果还表明绵刺这一蒙古高原旱生植物区系成分是由东亚中生植物
区系成分的银露梅演化而来;绵刺的各种形态特征和生态习性是长期适应荒漠干旱气候环境
的结果。这一植物起源及其迁移路线的发现 ,为深入研究亚洲中部荒漠植物区系和植被的形成
提供了新的证据。
关键词　绵刺属;蔷薇亚科;ITS;系统位置
A REEVALUATION OF THE STATUS OF POTANINIA
BASED ON INTERNAL TRANSCRIBED SPACER SEQUENCES
ZHAO Yi-Zhi 1 　CHENG Wen-Lian2　YIN Jun 1 　CAO Rui 1 　ZHANG Jing-Qiu1
(1.College of Life Science of Inner Mongolia University , Huhho te　010021)
(2.Biotechnolog y Department of I nner Mongolia Agricultural University , Huhho te　010021)
Abstract　Because of its special feature of morphology , the phylogenetic status of Potaninia is
still argued today.The I TS sequences of six species of Rosoideae and a species of Prunoideae are ob-
tained in the study.The other five ITS sequences of five species of Rosaceae are go tten from Gen-
bank and analyzed together.The result of comparing ITS1 +ITS2 sequences of 12 plants show s
that the sizes of sequences of different plants are different g reatly .The sequences of ITS1 range
from 224 ～ 266 bp.The sequences of ITS2 range f rom 202 ～ 221 bp.The result of phylogenetic
analysis wi th PAUP 3.1.1 show s that Dasiphora is the closest genus wi th Potaninia ;the second is
Chamaerhodos;the third is Sibbaldia.The mutual feature of the three genera is that style g row s
基金项目:国家自然科学基金资助项目(39860008)
第一作者简介:赵一之(1939-),男 ,教授 ,主要从事植物分类学研究。
收稿日期:2003-06-17
from the end o r side of ovary .Traditionally , Potaninia is arranged near Rosa and Agrimonia
judged by torus like chalis or jar , which is not consistent w ith our result.The phy logenetic t ree in-
dicates that Prunus mongolica and Prunus cerasi fera form a monophilet ic taxa obviously , which
show the relationship of Potaninia mongolica and Prunus mongol ica is very far.The study also
indicate Potaninia mongol ica , a axerophilous f loristic element of Mongolian Plateau , is derived
from D.glabra , a mesophy tic floristic element of East Asia;All morphological characterist ics and
ecological habit are the result adapting itself to dry climate of desert for ages.The discovery of
derivation and mig rating route provide the new proof for studying the format ion of desert flora and
vegetation of midst of Asia .
Key words　Potaninia;Rosoideae;ITS;Phy logenetic status
　　绵刺属(Potaninia Maxim .)隶属于蔷薇科
(Rosaceae)蔷薇亚科(Rosoideae), 是 1881 年
(Maximow icz)为纪念俄国旅行家 G.N.Potanin
而以他的名字命名的属 。该属仅含绵刺(P.
mongolica Maxim.)一种 。绵刺是一种古老 、孓
遗植物 ,为亚洲中部阿拉善 —东戈壁特有种。其
分布区海拔在 1 000 ～ 1 300 m 左右 ,范围狭小 ,
处在亚洲中部荒漠的最东端 ,东起于东经 107°30′
～ 111°, 西达东经 98°～ 100°,北界在北纬 44°～
46°,南界在北纬 37°[ 1] 。
绵刺花为三基数 ,副萼片 、萼片 、花瓣 、雄蕊各
为 3 ,子房 1 ,花柱基侧生 ,花托漏斗状等形态特征
在蔷薇科乃至双子叶植物中甚为独特 。但是 ,绵
刺的系统位置至今尚存很大的争议。Grubov[ 2]
认为 绵 刺 与 南 非 的 Clif fortia pedunculata
Schlecht.相近 ,虽然后者也为萼片 3(稀 4),灌木 ,
但是因其花单性 ,雌雄异株 ,无花瓣 ,无副萼 ,雄蕊
多数 ,花柱顶生 、羽毛状 ,种子下垂等形态与绵刺
明显不同 ,至今未被认可。朱宗元等[ 3] 认为“绵
刺的花通常为三基数 ,但也偶尔可见到四数或五
数的现象 ,在多雨年份 ,可见到的更多些 。五数花
是蔷薇科的共同特征 ,三数花是绵刺的特征 。可
见 ,绵刺的这一特征也可能是比较晚近的适应特
征。因此我们认为绵刺可能不是起源于非洲古老
荒漠区系的成分 ,而应该看作是古地中海东岸东
亚植物区系的直接后裔。也可能它和蒙古扁桃
(Prunus mongolica)具有相似的起源特点” 。在
《蒙古维管束植物检索表》[ 4] 、《中国植物志》[ 5] 、
《中国沙漠植物志》[ 6 〗、《内蒙古植物志》[ 7]中 ,绵
刺被放在蔷薇亚科 ,置于蔷薇属(Rosa)、龙牙草
属(Agrimonia)等属附近 。针对上述情况 ,赵一
之[ 8]认为“绵刺属的花三基数 ,心皮单一 ,无疑是
蔷薇科中最进化的类型。该属在蔷薇亚科中 ,由
于具副萼 ,托叶与叶柄合生 ,羽状复叶具 3 ～ 5小
叶 ,花柱基侧生 ,从而与山莓草属(S ibbaldia)中
的绢毛山莓草(S .sericea)和伏毛山莓草(S .ad-
pressa)比较相近 ,是山莓草属植物为适应严酷的
干旱自然环境 ,雌蕊由 4 ～ 10个进一步减少为 1 ,
花由五基数演化为三基数 ,花托漏斗状(保护雌
蕊)的类型 。这一点也可以从绵刺偶尔出现花为
五基数的返祖现象得到充分的证明 。”以上研究从
形态学角度对绵刺的系统位置进行了探讨。
ITS(Internal t ranscribed spacer)是核糖体
DNA中介于 18S 和 5.8S 之间(ITS1)以及 5.8S
和26S之间(I TS2)的非编码转录间隔区。由于
ITS存在于高度重复的核糖体 DNA中 ,进化速度
快且片段长度不大(被子植物一般小于 700 bp),
加上协调进化 ,使该片段在基因组不同重复单元
间十分一致 ,因而十分适于进行各种分子操作 ,成
为广泛应用于被子植物系统发育和进化研究的核
基因标记。近些年来 , ITS 序列分析已成为探讨
科内属间及属下种间关系十分有效的手段。目前
蔷薇科有 600多种植物的核糖体 DNA 的内转录
间隔区(ITS)序列已被测定 ,可为研究该科其他
植物的系统演化关系提供丰富的资料 。鉴于此 ,
我们拟扩增并测定绵刺及其近缘属代表种的 ITS
序列并进行分析 ,从而为研究绵刺属的系统地位
提供新的证据 。研究蒙古高原这一特有属的系统
演化地位 ,对进一步揭示该地区植物区系的形成
和与周边地区的联系及环境演变有着重要意义。
1 材料和方法
1.1 材料来源
根据报道的绵刺近缘属和系统位置靠近的
属 ,本实验取材选定蔷薇亚科的 6 属 6 种植物和
李亚科的 1种代表植物 ,样品分单株采集新鲜叶
片 ,于-40℃保存备用。材料来源详见表 1。
4034期　　　　　　　　　　　　赵一之等:用 rDNA的 ITS 序列探讨绵刺属的系统位置
表 1　材料来源
Table 1　The o rigin of materials
种 Species 来源 Origin 采集号Collet ion No.or Voucher
Potaninia mongolica Maxim. WuHai , NeiMongol Cao Rui 0005
S ibbaldia adpressa Bunge Zhaohe , Damaoqi , NeiMongol Cheng Wen-Lian 0041
Dasiphora glabra(Lodd.)Y.Z.Zhao JiuWoPu DaQing Mountain , NeiMongol Zhao Yi-Zhi 0025
Rosa davur ica Pall. Shanggaotai ,Zhuozi , NeiMongol Zhao Yi-Zhi 0106
Chamaerhodos erecta(L.)Bunge Zhaohe , Damaoqi , NeiMongol Xu Jie 0013
Geum alepp icum Jacq. Shanggaotai ,Zhuozi , NeiMongol Liang Cun-Zhu 0089
Prunus mongolica Maxim . Tree Gardon , Huhhote , NeiM ongol Cheng Wen-Lian 0102
1.2 总 DNA提取
实验方法采用 CTAB 法[ 9] 稍加修改 , 将
CTAB沉淀液沉淀 DNA 改为用异丙醇沉淀
DNA 。
1.3 ITS 片段的扩增
根据已报道的 ITS 序列 ,参考White设计的
引物 ,本实验设计 4条引物 ,引物序列如下:
P1 ,5′-CGT AAC AAG GTT TCC GTA GG-3′;
P2 ,5′-TCC TCC GCT TAT TGA TAT GC-3′;
P3 ,5′-GCT GCG TTC TTC ATC GAT GC-3′;
P4 ,5′-GCA TCG ATG AAG AAC GCA GC-3′。
PCR扩增试剂购自上海生物工程公司 ,用混
和引物 P1+P2 扩增 ITS 序列。50 μL 体系含
22.7 μL双蒸水 ,5 μL 10×PCR缓冲液 , 4 μL(25
mM)MgCl2 ,4 μL(2.5 mM)dN TP ,3μL(每种含5
pmol/μl)混和引物 ,0.3 μL(5U/μL)Taq酶以及 1
μL(约 25 ng/μL)模板溶液 。扩增反应在 Eppen-
do rf公司梯度扩增仪上进行 ,扩增 ITS的程序为:
94℃预变性 5 min , 94℃, 1 min , 55℃, 1 min ,
72℃,1 min ,循环 30次 ,最后在 72℃延伸 5 min。
1.4 PCR产物的纯化和测序
PCR产物经纯化并直接测序。由于 5.8S
rDNA十分保守 ,本试验对其未予考虑 ,只用引物
3 、引物 4分别测定了 ITS1 和 ITS2的序列。从
后来的测序结果可知 ,用绵刺的 PCR产物直接测
序没有得到满意的结果 ,故对绵刺 rDNA 采取了
克隆的办法 , ITS 片段的克隆及测序步骤见张文
驹等报导[ 10] 。
1.5 序列数据的处理及系统树的构建
ITS1和 ITS2的界限根据已知蔷薇科植物的
rDNA序列确定。分析时从 GenBank中另外选取
蔷薇科 5种植物的 ITS1和 ITS2序列 ,分别是耐
斯 悬 钩 子 (Rubus nessensis W. Hall.)
(AF055782),樱桃李(Prunus cerasi fera Ehrhart)
(U16200), 山莓草(S ibbaldia procumbens L.)
(AH007296), 欧洲龙牙草(Agrimonia eupatoria
L.)(U90798),金露梅(Dasiphora fruticosa (L.)
Rydb.)(U90809)。序列排列用 CLUSTAL Ⅴ软
件[ 11]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[ 12] , Prunus mongolica 、
Prunus cerasi fera 作为功能性外类群(Functional
outg roup)。 PAUP3.1.1 分析中 , 采用竭力法
(Exhaustive)寻找最简约树 , 简约树各分支的置
信度用靴带(bootst rap)分析法进行检验 ,共进行
500次循环。
2 结果与分析
2.1 ITS片段的比较和变异
本文共测得蔷薇科 7种植物完整的 ITS1和
ITS2基因的序列 。测得7种植物和选取的另外5
种植物的 ITS1和 ITS2序列的长度 、GC 百分含
量(表 2)。从表 2可以看出 ,12种植物的 ITS1均
长于 ITS2 ,此结果和大多数被子植物一致 。GC
含量在 44%～ 70%之间变化 。排序结果表明:蔷
薇亚科不同属之间序列长度分化较大 ,加上空位
一共得到 502个位点 ,其中变异位点达 68.7%,
信息位点达 36.3%。
2.2 ITS 的系统发育信息
将 ITS1和 I TS2 作为一个共同的数据矩阵
进行 PAUP 运算 。将空位处理作数据缺失(Miss-
ing)和新状态(New state)均得到一个相同的最简
约树(图 1)。这个简约树长度为 727 步 ,其一致
性指数(CI)和维持性指数(RI)分别为 0.748和
0.572。
404 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　23卷
表 2　12 种植物 ITS1 和 ITS2 的长度和 G+C 含量
Table 2 Sizes and percent G+C content of ITS1 and ITS2 of twelve species
种 Species ITS11 ITS2大小 Size(bp) %G+C S ize(bp) %G+C
Potaninia mongolica 250 63 212 64
Sibbaldia adpressa 236 57 209 44
Sibbaldia procumbens 237 60 206 58
Dasiphora fru ticosa 266 70 221 67
Dasiphora g labra 248 65 209 66
Rosa davurica 252 57 207 56
Agr imonia eupatoria 229 55 206 56
Chamaerhodos erecta 246 58 209 60
Geum alep picum 229 55 206 59
Prunus mongolica 248 64 207 59
Prunus cerasi fera 224 65 209 63
Rubus nessensis 255 54 208 57
图 1 基于 ITS1 和 ITS2 序列构建的蔷薇亚科 6 属 、
李亚科 1 属植物的系统树。
括号外的数字表示 bootstrap 分析对该分支的支持强度
(百分比),括号内数字表示碱基替换数目。该系统树的长度
为 727步,其 CI 值和 RI值分别为 0.748和 0.572。
Fig.1　The only one most-parsimonious tree
onstructed from sequences of ITS1 and ITS2 in five genera
of Rosideae and one genus of Prunoideae.
　　The t ree has 727 steps , with CI =0.748 and RI=0.572.
Number out of the bractet are bootstrap values.Number in the
bractet is the number of subst itut ions.
从系统树可以发现 , 12 种植物被分为两大
支。一大支是具核果类型的李亚科的蒙古扁桃和
樱桃李 ,另一大支是具瘦果类型的蔷薇亚科的 10
种植物。蔷薇亚科的 10种植物又可分为两支 ,花
柱基侧生的绵刺 、金露梅 、银露梅(D .glabra)、地
蔷薇(Ch .erecta)、山莓草 、伏毛山莓草(S .ad-
pressa)为一支 ,花柱顶生的另外 4种植物山刺玫
(R .davurica)、水杨梅(G.aleppicum)、耐斯悬
钩子 、欧洲龙牙草为另一支。绵刺和金露梅 、银露
梅靠的最近 ,靴带分析支持率达 99%,但从金露
梅 、银露梅与绵刺的平均遗传距离分别为0.088 、
0.083的结果可以看出 ,绵刺和银露梅的亲缘关系
更为接近 。
3 绵刺属系统位置的讨论
传统上 ,主要依据花托的形状而把蔷薇亚科
分为两大类。依据花托杯状或坛状 ,将绵刺放到
蔷薇属和龙牙草属附近。从我们分析的结果可
知 ,绵刺属和金露梅属亲缘关系最近 ,其次为地蔷
薇属 ,再次为山莓草属。从形态上看 ,这 4个属均
为花柱基侧生 ,而其他属花柱均为顶生 。可见 ,花
柱在子房上的着生位置应作为蔷薇亚科分类的主
要依据 ,而依据花托形状把蔷薇亚科分为两大类
是不妥的。因为从进化角度讲 ,和花托的形状相
比 ,雌蕊的结构更为稳定 ,用它来反映植物之间的
亲缘关系更准确。
得到绵刺属和金露梅属亲缘关系最近的聚类
结果后 ,我们又仔细研究了各种植物志中的相关
描述 ,试图从形态学上得到进一步的解释 。结果
发现这两属植物除花柱均基侧生外 ,都为灌木且
4054期　　　　　　　　　　　　赵一之等:用 rDNA的 ITS 序列探讨绵刺属的系统位置
具副萼 ,羽状复叶 ,特别是顶生 3小叶基部合生 ,
小叶全缘以及叶柄顶端具关节这些特征在蔷薇亚
科中仅为这两属植物所特有。这些形态特征进一
步支持了我们的分析结果 。然而金露梅属雌雄蕊
多数 ,花 5数 ,显然比绵刺属雄蕊 3 ,雌蕊 1 ,花 3
数原始。与绵刺亲缘关系更为接近的银露梅分布
于内蒙古(兴安北部和南部 ,阴山 ,贺兰山)、河北 、
山西 、陕西 、甘肃 、青海 、安徽 、湖北 、四川 、云南 、朝
鲜 、俄罗斯(远东),为东亚分布种 ,系中生灌木。
而绵刺为蒙古高原阿拉善—东戈壁分布种 ,系强
旱生灌木。因此 ,我们推断绵刺是由东亚中生植
物区系演化而来 。在蒙古高原 ,绵刺为适应强度
干旱的环境 ,花由 5数减至 3数 ,雌蕊由多数减为
1个 ,花托由碟状演化为漏斗状(保护雌蕊),叶柄
宿存并硬化为刺状 ,成为适应荒漠干旱气候的形
态特征 。但是绵刺毕竟是起源于东亚植物区系 ,
因此 ,当严重的干旱来临之际 ,绵刺停止生长发育
处于休眠状态 ,如遇雨水来临 ,它会迅速复苏 ,开
花结果 ,完成它的生活史 。绵刺当遇到比较湿润
的季节 ,有时花出现 5数 ,这一返祖现象进一步证
明了绵刺起源于花为 5基数的银露梅的结论 。
参　考　文　献
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