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Phylogeny of species with the StH genome in Triticeae (Poaceae) inferredfrom nuclear rDNA ITS sequences

用nrDNA ITS序列探讨小麦族含StH基因组物种的系统发育



全 文 :书用狀狉犇犖犃犐犜犛序列探讨小麦族含
犛狋犎基因组物种的系统发育
王晓丽1,2,凡星1,张春3,沙莉娜1,张海琴1,周永红1,4
(1.四川农业大学成都科学研究院小麦研究所,四川 温江611130;2.四川农业大学生命科学与理学院,四川 雅安625014;3.泸州
医学院药学院,四川 泸州646000;4.四川农业大学作物基因资源与遗传改良教育部重点实验室,四川 雅安625014)
摘要:小麦族中具StH基因组的物种被包含在广义披碱草属中。本研究利用nrDNAITS序列,采用最大简约法、
最大似然法和基于 MJ算法的网状结构分析,对16个不同地理分布和形态特征的具StH基因组组成的物种及8
个含St和 H基因组的拟鹅观草属和大麦属的二倍体物种进行了系统发育分析。结果表明,1)过去归属于裂颖草
属和猬草属的物种大松鼠尾巴草、瓶刷草和猬草与披碱草属物种关系较近,应当划入披碱草属中;2)北美的StH基
因组物种聚类在一起,其亲缘关系较近,它们与欧亚大陆的StH基因组物种存在较大变异和分化;3)具StH基因
组物种较大程度的变异和分化与物种的地理分布有关;4)St基因组和 H基因组的二倍体物种分别存在较大的分
化。同时本研究还讨论了造成小麦族StH基因组物种变异和分化的可能原因。
关键词:小麦族;披碱草属;StH基因组;系统发育;分化
中图分类号:S512.103;Q943.2  文献标识码:A  文章编号:10045759(2009)06008209
  小麦族(Triticeae)是禾本科(Poaceae)一个十分重要的植物类群。小麦族植物含有Ns、H、P、St、Y、W、E等
20多个基本基因组,这些基因组的二倍体供体通过不同天然杂交组合形成了大量的含有不同基因组组成如StP、
StY、StH、StYW、StYP等的多倍体植物,进而形成了大约70%~75%的小麦族多倍体物种[1]。其中,具有StH
基因组多倍体物种由二倍体的拟鹅观草属植物(St基因组)和二倍体的大麦属植物(H基因组)经异源多倍化形
成。具有StH基因组多倍体物种全世界约有35种,分布于全球温带和暖温带地区,生长在草原、山谷、林下、草
地边缘等环境中[1,2]。这些物种多为草原和草甸的优良牧草,具有较高的经济和生态效益,同时还具有抗寒、抗
旱、耐盐碱等特性,以及具有麦类作物缺乏的优良抗病虫害和抗逆基因,是牧草遗传育种和麦类作物遗传改良重
要的基因资源[3~6]。
在StH基因组物种的分类处理上存在很大的分歧,它们曾被归在披碱草属(犈犾狔犿狌狊)、猬草属(犎狔狊狋狉犻狓)、裂
颖草属(犛犻狋犪狀犻狅狀)及偃麦草属(犈犾狔狋狉犻犵犻犪)等不同的属中,且许多物种还作为属的模式种处理,如:老芒麦(犈犾狔
犿狌狊狊犻犫犻狉犻犮狌狊)是披碱草属的模式种;猬草(犎狔狊狋狉犻狓狆犪狋狌犾犪)是猬草属的模式种;瓶刷草(犛犻狋犪狀犻狅狀犺狔狊狋狉犻狓)是裂颖
草属的模式种;蔓生偃麦草(犈犾狔狋狉犻犵犻犪狉犲狆犲狀狊)是偃麦草属的模式种[1,2,7~9]。尽管具有相同的基因组组成,但含
StH基因组的小麦族植物却表现出不同的形态特征。一些在分类学上作为重要分类指标的性状,如颖、外稃、每
穗轴节着生小穗数等存在着明显差别和较大的变异。如:犬草(犈.犮犪狀犻狀狌狊)、北方冰草(犈.犾犪狀犮犲狅犾犪狋狌狊)、蔓生偃
麦草每穗轴节上着生1枚小穗;老芒麦、猬草和瓶刷草每穗轴节上着生2枚小穗;加拿大披碱草(犈.犮犪狀犪犱犲狀狊犻狊)
每穗轴节上着生3~4枚小穗。从颖片形态上看,大多数物种的颖呈披针形,但猬草的颖强烈退化甚至缺失,而瓶
刷草的颖先端从中部裂开,并延伸至成为较长的芒[2,7~10]。地理分布上,加拿大披碱草、北方冰草、瓶刷草、海绿
披碱草(犈.犵犾犪狌犮狌狊)、猬草、大松鼠尾巴草(犈.犿狌犾狋犻狊犲狋狌狊)、瓦哇披碱草(犈.狑犪狑犪狑犪犻犲狀狊犻狊)、弗吉尼亚披碱草(犈.
狏犻狉犵犻狀犻犮狌狊)、细茎披碱草(犈.狋狉犪犮犺狔犮犪狌犾狌狊)分布于美国、加拿大、墨西哥等北美洲地区,而老芒麦、犬草、犈.犮狅狀
犳狌狊犲狊、狭颖披碱草(犈.犿狌狋犪犫犻犾犻狊)、蔓生偃麦草、麦宾草(犈.狋犪狀犵狌狋狅狉狌犿)、犈.狋狉犪狀狊犺狔犮犪狀狌狊分布于中国、俄罗斯、
82-90
2009年12月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第18卷 第6期
Vol.18,No.6
 收稿日期:20090330;改回日期:20090507
基金项目:国家自然科学基金项目(No.30670150,30870154,30901052)和四川省教育厅、科技厅重点项目资助。
作者简介:王晓丽(1965),女,四川简阳人,副教授,在读博士。Email:wangxiaoli288@163.com
通讯作者。Email:zhouyh@sicau.edu.cn
土耳其、伊朗、朝鲜、日本等地区[1,2]。因此,小麦族中含StH基因组的物种具有不同的形态特征,不同的地理分
布和生境,以及不同学者不同的分类处理,使得它们间的关系显得非常复杂,分类处理困难。
近年来,分子标记技术特别是基因序列分析被广泛应用于小麦族植物系统关系的研究,为小麦族植物尤其
是多倍体物种的系统与演化提供了新的证据和手段[11~14]。核糖体DNA内转录间隔区ITS序列(nuclearrDNA
internaltranscribedspacerregion,ITS)常用于探讨植物低分类单元的系统关系、基因组供体来源、多倍化物种
形成[15],在小麦族植物系统与演化研究中也得到了成功的应用[12~15]。本研究对16个具StH基因组组成的物种
及其二倍体供体种的nrDNAITS区进行序列和系统发育分析,目的在于探讨:1)具StH基因组物种间的系统亲
缘关系;2)具StH基因组物种的变异和分化。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本研究选用了16种不同形态和不同地理分布的具StH基因组组成的物种,5种含St基因组的拟鹅观草属
(犘狊犲狌犱狅狉狅犲犵狀犲狉犻犪)二倍体物种和3种具H基因组的大麦属(犎狅狉犱犲狌犿)二倍体物种作为供试材料。以扁穗雀麦
(犅狉狅犿狌狊犮犪狋犺犪狉狋犻犮狌狊)作为外类群。所用材料的种名、缩写、编号、倍性、基因组组成、来源和ITS序列GenBank
登录号列于表1中。PI编号材料的种子由美国国家植物种质库(AmericanNationalPlantGermplasmSystem,
Pulman,Washington,USA)提供,其余材料由四川农业大学小麦研究所提供。凭证标本藏于四川农业大学小麦
研究所标本室(SAUTI)。
1.2 试验方法
1.2.1 DNA的提取、纯化、克隆及测序 DNA提取采用常规的CTAB法[16]。采用 Hsiao等[13]设计的引物,
PCR扩增获得ITS序列,引物序列为:ITS4(5′TCCTCCGCTTATTGATATGC3′)和ITSL(5′TCGTAA
CAAGGTTTCCGTAGGTG3′),由中国大连TaKaRa公司合成。PCR扩增反应在ABI9700型PCR仪上进行。
反应体积为50μL,包括3μLDNA模板(约0.5μg,由GelDoc图像分析仪测得),10×ExTaq缓冲液(5μL),
2.5mmol/LMgCl2(4.0μL)、2.5mmol/L4种dNTP混合液(pH8.0)(4.0μL)、15μmol/L正、反向引物(各
1.5μL),5U/μLExTaq酶(0.6μL)和ddH2O(30.4μL)。PCR反应条件为:94℃预变性5min;94℃变性1
min,52℃复性1min,72℃延伸1min,35个循环;最后72℃延伸8min。PCR产物用1.2%的琼脂糖进行电泳,
用OMEGA试剂盒(OMEGABioTek)进行割胶回收。然后,以pMD18T载体(Takara)为连接载体,以DH10B
作为宿主菌,对目的片段进行克隆。每份材料选取3~5个阳性克隆用于DNA序列测序。序列测定由北京三博
远志生物技术有限公司完成。所有序列均进行双向测序。测序结果登录到GeneBank中(http://www.ncbi.
nlm.nih.gov/)。
1.2.2 数据处理及分析 根据 GeneBank已登录的小麦族多年生ITS序列对测定的ITS序列边界进行划
分[13]。将获得的ITS序列用CLUSTALW[17]软件进行多重排定。序列排好后辅以手工校正。使用DNAMAN
软件包(version5.2.10;LynnonBiosoft)进行序列长度变异、插入/缺失(Indel)分析。ITS序列碱基组成及替
代用MEGA4(KumarS,TamuraK,JakobsenI,NeiM,http://www.megasoftware.ne)进行统计。序列变异
位点采用PAUP4.0B10[18](SwoffordDL,SinauerAssociates,http://www.sinauer.com)进行统计。
ITS序列使用PAUP4.0B10[18]软件,采用最大简约法(maximumparsimony,MP)和最大似然法(maxi
mumlikelihood,ML)构建系统发育树。最大简约法分析采用启发式搜索(heuristicsearches),空位作为缺失处
理,100次随机添加重复,树二重组连接(treebisectionreconnection,TBR)进行系统发育树构建。最大似然分析
前,首先利用 ModelTest3.0[19]先进行模型和参数估计,基于hLRT标准选择最适碱基替代模型为GTR+G。
ML系统树采用启发式搜索(heuristicsearches)和树二重组连接获取。MP和 ML系统树拓扑结构均用自展分
析(bootstrap,BS),1000次重复抽样以检验各分支的置信度。
使用Network4.1.1.2软件[20]的 Medianjoining(MJ)算法进行ITS序列网状结构分析。
38第18卷第6期 草业学报2009年
表1 供试材料
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犿犪狋犲狉犻犪犾狊狌狊犲犱犻狀狋犺犻狊狊狋狌犱狔
物种名称
Species
种名缩写
Abbreviate
染色体数
Chromosome
number(2n)
基因组组成
Genome
编号
Accession
No.
来源
Origin
登录号
GenBankNo.
老芒麦犈.狊犻犫犻狉犻犮狌狊 ESIBI 28 StH Y2906 甘肃合作 Hezuo,Gansu,China EF396962
犬草犈.犮犪狀犻狀狌狊 ECAN1
ECAN2
28 StH PI564910 俄罗斯RussianFederation AY740897
AY740898
加拿大披碱草犈.犮犪狀犪犱犲狀狊犻狊 ECANA 28 StH PI531567 加拿大Alberea,Canada EF396978
犈.犮狅狀犳狌狊犲狊 ECONF 28 StH W621505 蒙古 Mongolia FJ040160
瓶刷草犈.犲犾狔犿狅犻犱犲狊 EELYM 28 StH PI628684 美国UnitedStates EF396977
海绿披碱草犈.犵犾犪狌犮狌狊 EGLAU 28 StH PI232259 美国UnitedStates FJ040161
猬草犈.犺狔狊狋狉犻狓 EHYST 28 StH PI372546 加拿大安大略湖Ontario,Canada EF396971
北方冰草犈.犾犪狀犮犲狅犾犪狋狌狊 ELANC 28 StH PI232116 美国UnitedStates EF396961
大松鼠尾巴草犈.犿狌犾狋犻狊犲狋狌狊 EMUL1
EMUL2
28 StH PI619465 美国爱达荷州Idaho,UnitedStates FJ040164
FJ040165
狭颖披碱草犈.犿狌狋犪犫犻犾犻狊 EMUTA 28 StH PI564953 俄罗斯RussionFederation FJ040166
弗吉尼亚披碱草犈.狏犻狉犵犻狀犻犮狌狊 EVIR1
EVIR2
28 StH PI490361 美国乔治亚州Georgia,UnitedStates FJ040170
FJ040171
瓦哇披碱草犈.狑犪狑犪狑犪犻犲狀狊犻狊 EWAWA 28 StH PI610984 美国UnitedStates EF396963
细茎披碱草犈.狋狉犪犮犺狔犮犪狌犾狌狊 ETRAC 28 StH PI236722 加拿大Canada FJ040168
犈.狋狉犪狀狊犺狔狉犮犪狀狌狊 ETRAN 28 StH PI383579 土耳其Turkey FJ040169
蔓生偃麦草犈.狉犲狆犲狀狊 ETREP 42 StStH   - 捷克斯洛伐克CzechRepublic DQ859051
麦宾草犈.狋犪狀犵狌狋狅狉狌犿 ETANG 42 StHH ZY2008 西藏昌都Changdu,Tibet,China FJ040167
布顿大麦犎.犫狅犵犱犪狀犻犻 HBOGD 14 H PI531761 中国新疆Xinjiang,China AY740876
芒颖大麦犎.犼狌犫犪狋狌犿 HJUBA 14 H H2018 墨西哥 Mexico AJ607935
智利大麦犎.犮犺犻犾犲狀狊犲 HCHIL 14 H GRA1000 智利Chile AJ607870
糙缘拟鹅观草犘.狊狋犻狆犻犳狅犾犻犪 PSTIP 14 St PI325181 俄罗斯RussianFederation EF014240
黎巴嫩拟鹅观草犘.犾犻犫犪狀狅狋犻犮犪 PLIBA 14 St PI228389 伊朗Iran AY740794
乌克兰拟鹅观草犘.狊狋狉犻犵狅狊犪ssp.
aegilopoides
PSTAE 14 St PI595164 新疆乌鲁木齐Urumqi,Xinjiang,China EF014243
托瑞拟鹅观草犘.狋犪狌狉犻 PTAUR 14 St PI401323 伊朗Iran EF014244
穗状拟鹅观草犘.狊狆犻犮犪狋犪 PSPIC 14 St PI547161 美国俄勒冈州Oregon,UnitedStates AY740793
扁穗雀麦犅.犮犪狋犺犪狉狋犻犮狌狊 BCATH - - S20004 云南昆明Kunming,Yunnan,China AF521898
 带有“”的GenBank登录号为已出版的序列,引自NCBI网站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)。
 GenBankaccessionswithanasterisk()representpreviouslypublishedsequencesfromtheGenBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov).
2 结果与分析
2.1 ITS序列分析
ITS序列全长范围为596~602bp。长度变异较大的区段为ITS1区,其变化范围为216~222bp,平均GC
百分含量为62.6%。ITS2区长度变化范围为215~217bp,平均GC含量为63.5%。所有类群ITS序列的5.8S
区长度均为164bp,平均GC含量为59.7%。大部分的序列变异发生在间隔区,5.8S区域发生很少变异。当空
位作缺失处理时,ITS区全序列比对具有总位点数为605bp,其中有131个变异位点,59个为简约信息位点,分
别占全序列的21.6%和9.7%。
48 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.6
2.2 系统发育分析
本研究采用 MP和 ML2种方法进行系统发育树构建,MP树和 ML树的拓扑结构完全一致,仅存在分支长
度差异。分支上的数字代表拓扑结构不同评估值。图1显示的是 ML系统发育树,似然值的负对数为
1831.606,伽马分布参数值(valueofgammashapeparameter)为0.448。
在 ML系统发育树中,犬草2与3个大麦属二倍体物种(布顿大麦、智利大麦、芒颖大麦)以100%的自展支
持率聚成一小支,弗吉尼亚披碱草1与加拿大披碱草以95%的自展支持率聚成一支,2支构成姊妹支,猬草处于
姊妹支的基部。瓦哇披碱草、大松鼠尾巴草2、海绿披碱草和细茎披碱草聚在一支中,自展支持率为55%。瓶刷
草和大松鼠尾巴草1聚在一起,自展支持率小于50%。犈.犮狅狀犳狌狊犲狊和老芒麦聚在一起,自展支持率为50%。犬
草1和北方冰草聚为一支,自展支持率为91%。麦宾草和狭颖披碱草聚类在一起,其自展支持率为98%。蔓生
偃麦草与穗状拟鹅观草和乌克兰拟鹅观草聚为一支。弗吉尼亚披碱草2和犈.狋狉犪狀狊犺狔狉犮犪狀狌狊没有与任何物种聚
在一起。
图1 基于具犛狋犎基因组物种及其相关二倍体物种的狀狉犇犖犃犐犜犛序列构建的 犕犔系统发育树
犉犻犵.1 犕犔狋狉犲犲犻狀犳犲狉狉犲犱犳狉狅犿狀狉犇犖犃犐犜犛狊犲狇狌犲狀犮犲狊狅犳狋犺犲狊狆犲犮犻犲狊狑犻狋犺犛狋犎犵犲狀狅犿犲犪狀犱狋犺犲狉犲犾犪狋犲犱犱犻狆犾狅犻犱狊狆犲犮犻犲狊
 枝上和枝下的数字分别表示用 ML分析和 MP分析所得的自展值(>50%)。物种名后数字表示不同的ITS序列类型 Numbersaboveandbelow
thebranchesindicatebootstrapvalues>50%byMLandMPanalysis,respectively.Numbersafterspeciesnamesindicatedifferentisolatefromindi
viduals
58第18卷第6期 草业学报2009年
2.3 网状结构分析
基于ITS序列构建的网状结构图(图2),显示了高水平的ITS序列单倍型(haplotype)多态性。本研究用于
分析的24个物种形成了27个单倍型序列。ITS单倍型序列将这24个物种分为两大支:H支和St支。H支中
包含了大麦属二倍体物种(布顿大麦、智利大麦、芒颖大麦)和犬草2、弗吉尼亚披碱草1、加拿大披碱草和猬草。
St支中,6个来自北美洲的披碱草属物种(瓦哇披碱草、海绿披碱草、大松鼠尾巴草、细茎披碱草、弗吉尼亚披碱草
和瓶刷草)聚在一起,处在糙缘拟鹅观草的节点上,形成一亚支;而分布于亚洲的老芒麦、犬草、犈.犮狅狀犳狌狊犲狊、狭颖
披碱草、蔓生偃麦草和麦宾草分散在拟鹅观草属二倍体物种之间的相邻节点上。
图2 基于具犛狋犎基因组物种及其相关二倍体物种的狀狉犇犖犃犐犜犛序列构建的 犕犑网状结构
犉犻犵.2 犕犑狀犲狋狑狅狉犽狅犳狋犺犲狊狆犲犮犻犲狊狑犻狋犺犛狋犎犵犲狀狅犿犲犪狀犱狋犺犲狉犲犾犪狋犲犱犱犻狆犾狅犻犱狊狆犲犮犻犲狊
 供试材料的简写列于表1。各节点间的数字表示突变位点数。mv后的数字表示分析中假定缺失的单倍型Abbreviationsofspeciesnamesarelis
tedinTable1.Thenumbersbetweenpointsindicatethenumberofmutationsteps.Thenumbersaftermvdepictmissingintermediatehaplotypesthat
werenotfoundintheanalyzedindividuals
3 讨论
3.1 具StH基因组物种间的系统亲缘关系
具StH基因组组成物种因具有各自典型的形态学特征,曾被处理到不同的属中。Lve[1]和Dewey[2]根据染
色体组进行分类,将具StH基因组组成的物种均放入披碱草属当中[1,2]。Wilson[9]根据颖片的特征,将具有芒状
颖(颖较长延伸至芒)的物种组合到裂颖草属中。本研究中,属于裂颖草属的大松鼠尾巴草(犛.犼狌犫犪狋狌犿)和瓶刷
草(犛.犺狔狊狋狉犻狓)聚在一起,表明它们具有较近的亲缘关系,支持Lve[1]将它们放入到披碱草属中作为裂颖草组来
处理。Moench[8]根据颖退化或退化成针状的特征,建立了猬草属。细胞学和分子系统学研究表明,猬草属模式
种猬草(犈.犺狔狊狋狉犻狓)含StH基因组,而其他猬草属物种如犎狔.犱狌狋犺犻犲犻、犎狔.犮狅狉犲犪狀犪、犎狔.犮犪犾犻犳狅狉狀犻犮犪却具有赖
68 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.6
草属(犔犲狔犿狌狊)的NsXm基因组组成[21,22]。本研究中,猬草与同样分布于北美洲的加拿大披碱草和弗吉尼亚披
碱草聚在一起,表明这三者的亲缘关系较近,猬草具有与披碱草一致的StH基因组组成,支持将犎狔.狆犪狋狌犾犪作
为犈.犺狔狊狋狉犻狓处理。海绿披碱草、瓦哇披碱草和细茎披碱草在形态上具有每穗轴节着生一枚小穗的特征,同属
于披碱草属中的披碱草组[2],且都来自北美洲。本研究中,这3个物种聚在一起,表现出较近的亲缘关系。犬草
与北方冰草在形态上均为每穗轴节着生一枚小穗,根据ITS序列建立的 ML树,它们聚类在一起,具有很高的支
持率(自展支持率=91%),表明二者亲缘关系较近。每穗轴着生2个小穗的麦宾草与着生1个小穗的狭颖披碱
草形成一支,支持率很高(自展支持率=98%),表明二者亲缘关系较近。
蔓生偃麦草(犈.狉犲狆犲狀狊)是偃麦草属的模式种,为六倍体(2狀=6狓=42)。细胞学染色体配对分析结果表明,
蔓生偃麦草具有2组来自拟鹅观草属的St基因组和一组来自大麦属的 H基因组,即StStH[23]。然而,rgaard
等[24]根据基因组原位杂交技术(GISH)分析结果,认为蔓生偃麦草中的St和 H基因组与披碱草属中StH基因
组存在一定程度的差异。MasonGamer[25]通过多个不同基因序列分析表明:蔓生偃麦草为典型的网状进化模
式,基因组来源复杂,供体属除了拟鹅观草属和大麦属外,还包括其他的多个属。因此,目前关于蔓生偃麦草的基
因组组成存在较大的争议。本研究中,蔓生偃麦草与其他含StH基因组的物种聚类关系较远,单独与穗状拟鹅
观草和乌克兰拟鹅观草聚在一亚支,表明拟鹅观草属(St基因组)可能是蔓生偃麦草的一个供体属,且蔓生偃麦
草的基因组组成与其他StH基因组物种存在较大的差异。由于蔓生偃麦草为六倍体,含有3个基因组,与四倍
体的StH基因组物种相比,可能存在多倍体水平的基因组分化。
3.2 具StH基因组物种的变异和分化
利用传统的系统建树的分析方法研究可能会出现较多的零支长分支及节点支持率较低的问题[26]。网状支
系分析将近缘物种的侯选基因序列彼此连接,形成高阶支系,从而演示物种间的系统亲缘关系及演化。MJ网状
支系分析已成功揭示了小麦/山羊草属(犜狉犻狋犻犮狌犿/犃犲犵犻犾狅狆狊)多倍体物种间系统亲缘关系及多倍化物种形成的供
体来源[27]。网状进化能反映单倍型(haplotype)的谱系关系(genealogicalrelationships),即能够区分序列间的单
个碱基突变[28],因而能揭示物种的来源、分化及多倍体物种的供体[27]。
小麦族中具StH基因组组成的物种分布广,物种丰富,其形态、地理分布和生境都具有较大的差异。形态
上,具有每穗轴节上着生单个小穗至多个小穗的、从无颖至披针形或线形颖的特点。地理分布上,含StH基因组
物种具有两大地理分布区,欧亚大陆和北美洲。从生境来看,它们生长在山坡草地、沙地、林下阴湿地等不同环境
中。这些差异是否由于其基因组的变异和分化所致?StH基因组物种间基因组的分化是在物种形成前St和 H
基因组已有分化,还是在物种形成后在进化过程中形成的分化?目前研究较少。Jaaska[29]根据同工酶的结果,认
为欧洲四倍体披碱草属物种与北美披碱草属物种间差异较大,其StH基因组存在一定程度的分化。Sun等[30]通
过RAPD分子标记分析认为,欧洲具StH基因组组成的披碱草属物种与美洲的物种之间存在差异,它们是独立
起源的。从本研究的网状结构图中看出,在H支中,同分布于北美的物种(加拿大披碱草、猬草和弗吉尼亚披碱
草)间突变位点数较少,表明它们之间的关系较近;而分布于欧洲的物种(犬草)与分布于北美的物种之间发生了
较多的突变位点,表明它们之间的关系较远。在St支中,北美洲的StH基因组物种间突变位点少,它们之间的
关系较近;而欧亚大陆分布的物种和北美分布的物种间关系较远。因此,本研究结果表明具StH基因组组成的
物种存在一定程度的变异和分化,且与物种的地理分布有关。
细胞学研究表明StH基因组物种的St基因组来源于拟鹅观草属物种,而 H基因组来源于大麦属[2]。St基
因组在不同的二倍体物种间存在变异(如:St1St1、St2St2 等)[11,12,31],H基因组在二倍体物种间也存在分化[32~34]。
Sun等[11]根据犚犘犅2基因重建的系统发育树上看出,分布于欧亚大陆和南北美洲的大麦属物种分别聚为两大不
同的支,表明H基因组的分化与其地理分布有关。本研究的ITS序列构建的网状结构图可以看出,5个二倍体
拟鹅观草属物种没有形成一个单系组,表明St基因组具有一定程度的分化。在 H支中,3个二倍体大麦属物种
间发生突变的位点数目较大,特别是分布于欧亚大陆的布顿大麦和分布于南美洲的芒颖大麦、智利大麦之间发生
了近17个突变位点。本结果也表明大麦属中H基因组分化与其地理分布有关。从本研究的网状结构图中可以
看出乌克兰拟鹅观草和托瑞拟鹅观草(犘.狋犪狌狉犻)处于节点的中部,与之邻近的是少数欧亚分布的具StH基因组
78第18卷第6期 草业学报2009年
组成的物种,如蔓生偃麦草、狭颖披碱草和麦宾草,表明这些物种与乌克兰拟鹅观草和托瑞拟鹅观草的关系较近。
分布于欧洲的犬草与该地区分布的二倍体大麦布顿大麦之间突变位点数较少,表明它们关系较近;而分布于北美
洲的加拿大披碱草、猬草和弗吉尼亚披碱草与分布于墨西哥的芒颖大麦之间突变位点较少,表明它们之间的关系
较近。
通过本研究的ITS序列分析并结合前人研究结果,我们可以推断具不同形态和不同地理分布的StH基因组
物种其变异和分化的原因可能有以下几点:1)不同地理分布的StH基因组物种其 H基因组来源于不同地理分
布的大麦属二倍体物种,欧洲的物种与美洲的物种是独立起源的[10,29,30],因而造成欧洲的物种与美洲的物种的差
异;2)不同地理分布的StH基因组物种中St基因组的来源不同[2],北美分布的物种来源于北美的拟鹅观草属二
倍体物种,而亚洲的拟鹅观草属二倍体物种,如黎巴嫩拟鹅观草(犘.犾犻犫犪狀狅狋犻犮犪),托瑞拟鹅观草等则可能是亚洲
物种的St基因组供体;3)St基因组在拟鹅观草属的二倍体物种间存在变异和分化[12];4)H基因组在大麦属的二
倍体物种间也存在变异和分化;5)具StH基因组的物种在异源多倍体形成过程中,由于生态环境的改变,地理分
布的长期隔离,其形态性状和基因组产生了不同程度的变异和分化。
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犘犺狔犾狅犵犲狀狔狅犳狊狆犲犮犻犲狊狑犻狋犺狋犺犲犛狋犎犵犲狀狅犿犲犻狀犜狉犻狋犻犮犲犪犲(犘狅犪犮犲犪犲)犻狀犳犲狉狉犲犱
犳狉狅犿狀狌犮犾犲犪狉狉犇犖犃犐犜犛狊犲狇狌犲狀犮犲狊
WANGXiaoli1,2,FANXing1,ZHANGChun3,SHALina1,
ZHANGHaiqin1,ZHOUYonghong1,4
(1.TriticeaeResearchInstitute,ChengduAcademyofSciences,SichuanAgriculturalUniversity,
Wenjiang611130,China;2.ColegeofBiologyandScience,SichuanAgricultural
University,Ya’an625014,China;3.PharmicDepartment,LuzhouMedical
Colege,Luzhou646000,China;4.KeyLaboratoryofCropGenetic
ResourcesandImprovement,MinistryofEducation,Sichuan
AgriculturalUniversity,Ya’an625014,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:SpecieswiththeStHgenomeinTriticeaeareincludedinthegenus犈犾狔犿狌狊sensulato.Inordertoin
vestigatethephylogenyoftheStHgenomeinTriticeae,nuclearribosomalinternaltranscribedspacer(ITS)se
quencesof16specieswiththeStHgenomewereanalyzedtogetherwiththoseoffive犘狊犲狌犱狅狉狅犲犵狀犲狉犻犪(St)and
three犎狅狉犱犲狌犿 (H)accessions.Themaximummarsimony(MP),maximumlikelihood(ML)andmedianjoin
ingalgorithm(MJ)methodswereusedtoreconstructthephylogenetictree.Theresultsindicatedthat:1)
犛犻狋犪狀犻狅狀犼狌犫犪狋狌犿,犛犻狋犪狀犻狅狀犺狔狊狋狉犻狓and犎狔狊狋狉犻狓狆犪狋狌犾犪arecloselyrelatedto犈犾狔犿狌狊species,andshouldbe
transferredto犈犾狔犿狌狊;2)theStHgenomespeciesdistributedinNorthAmericanhavecloserelationships.
ThereisdiversityanddifferentiationbetweentheNorthAmericanandEurasianStHgenomespecies;3)acer
taindegreeofdiversityanddifferentiationofStHgenomespeciesisingoodagreementwiththeirgeographical
distributions;4)acertaindegreeofdifferentiationwasfoundindiploidspecieswithStandHgenomes.Mean
while,thepossiblereasonsforthedifferentiationofStHgenomespeciesarealsodiscussed.
犓犲狔狑狅狉犱狊:Triticeae;犈犾狔犿狌狊;StHgenome;phylogeny;differentiation
09 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.6