全 文 ：林业科学研究　2006, 19 (2) : 165～169
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0220165205
竹类植物与水稻等其它禾本科作物的系统
进化关系及基因序列组成的比较
樊龙江 1 , 郭兴益 1 , 马乃训 2
(11浙江大学作物科学研究所 /生物信息学研究所 ,浙江 杭州　310029;
21中国林业科学研究院亚热带林业研究所 ,浙江 富阳　311400)
摘要 :利用 8个全长 mRNA基因序列比较了竹类植物和水稻等禾本科作物的系统进化和序列组成等。结果表明 ,在
与水稻、玉米和麦类作物的比较中 ,竹类植物与水稻有着最近的亲缘关系和更相似的基因序列特征 ( GC含量分布和
密码子使用频率 ) ,它们甚至比水稻与玉米或水稻与麦类之间的亲缘关系更近。这一结果提示 ,水稻作为禾本科植
物的模式物种 ,应与竹类植物存在良好的基因组共线性关系 ,水稻基因组序列信息对竹类植物基因组研究与分析具
有重要参考价值。
关键词 :竹类植物 ;水稻 ;系统进化 ; GC含量 ;密码子使用频率
中图分类号 : S795　S718146　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2005203230
基金项目 : 国家自然科学基金 (30270810)
作者简介 : 樊龙江 (1965 —) ,男 ,浙江衢州人 ,浙江大学作物科学研究所和生物信息学研究所教授 ,博导 ,目前主要从事禾本科作物基
因组分析及其遗传改良。电话 : 0571 - 86971730; E2mail: fanlj@ zju. edu. cn
Com para tive Study on Phylogenetics and Sequences Com position
of Bam boos and Cerea ls
FAN Long2jiang1 , GUO X ing2yi1 , MA N ai2xun2
(11 Institute of Crop Science / Institute of B ioinformatics, Zhejiang University, Hangzhou　310029, Zhejiang, China;
21Research Institute of Subtrop ical Forestry, CAF, Fuyang　311400, Zhejiang, China)
Abstract: Phylogenetics and Sequence composition of bamboos and cereals were analyzed based on current 8 full2length
mRNA sequences in the public nucleotides databases. The results indicated that bamboos had more shorter phylogenetic dis2
tance and sim ilar sequence composition ( GC content and codon usage) with rice than other cereals. The results suggested
that rice, as model p lant for Poaceae, should have significant genom ic synteny with bamboos, and its genom ic sequences are
important resource for bamboo genome research.
Key words: bamboo; rice; phylogenetics; GC content; codon usage
竹类植物是禾本科 ( Gram ineae)植物中最原始
的亚科 (竹亚科 Bambusoideae)之一 ,也是禾本科植
物中最具多样化的一个种群 ,它以木质的秆、复合分
枝、发达的根系和很少开花的特点区别于同科的其
它植物。禾本科的其他成员还包含水稻 (O ryza sa ti2
va L. )、玉米 ( Zea m ays L. )、大麦 ( Hordeum vulgare
L. )、小麦 ( Triticum aestivum L. )等主要粮食作物。
竹子在地球的纬度分布范围为 46°N～47°S,包括热
带和亚热带的广大地区。其生长的海拔可高达
4 000 m,主要分布在喜马拉雅山区、中国的部分地
区和南美洲安第山脉等地区。全世界共有竹类植物
107个属 , 1 300多个种 ,其中主要为木本竹类植物 ;
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
同时 ,我国竹类植物资源非常丰富 ,有许多特有珍贵
竹种 [ 1 ]。竹类植物的遗传和分子生物学研究近年来
虽然有了长足发展 ,但还是相对比较薄弱 [ 2 ] ,与禾本
科中的水稻等主要作物等的研究有较大的差距。例
如 ,国际公共核苷酸序列数据库 [ 3 ] ( GenBank EMBL
DDBJ)中 ,来自竹类植物的序列目前仅有 257条。
目前对竹类植物进行核苷酸测序主要是用于分
子系统发育或进化 ( Phylogenetics)分析。这类分析
中只有少数完全针对竹类植物进行系统发育分析 ,
如中科院云南植物研究所的研究工作 [ 4～6 ] ,其他大
多数研究主要是针对整个禾本科或更上一层物种进
行的 [ 7～13 ]。竹类植物作为禾本科的成员 ,它们在系
统分类上往往并不一致 ,不同来源 (核、叶绿体和线
粒体 )的基因序列或同一来源但不同基因获得的系
统分类会有所差异。例如 ,在他们构建的系统进化
树中有关竹类与水稻等主要禾本科作物关系的结
果 : Zhang[ 9 ]基于叶绿体 rp116基因获得的系统进化
(聚类 )关系为竹类与水稻先聚合然后与玉米再聚
在一起 ,简单表示为 ( (竹 +稻 ) +玉米 ) , Natodt
等 [ 8 ]同样基于叶绿体基因 rp s4获得 ( ( (竹 +稻 ) +
玉米 ) +麦 ) , Gaut等 [ 12 ]基于 adh I基因片段获得
( (竹 1 +稻 ) + (竹 2 +玉米 ) +麦 ) , Mathews等 [ 11 ]
基于细胞色素 B基因片段获得 ( (竹 1 + ( (竹 2 +
麦 ) +稻 ) ) +玉米 ) , Mason2Gamer等 [ 7 ]基于 W x基
因片段获得 (竹 + (稻 +麦 ) ) +玉米 )等。但一个总
的趋势是在主要禾本科作物中 ,竹类植物与水稻的
亲缘关系比较近。同时 ,最近开展的禾本科植物基
因非编码保守序列 ( CNS, conserved noncoding se2
quence)分析表明 ,水稻和玉米等禾本科作物基因内
含子序列中的保守区段 ,在竹类植物中同样也是保
守的 [ 14, 15 ]。另外 ,少量竹类植物基因的全长 mRNA
序列被测序 ,包括毛竹等 [ 16, 17 ]。这些序列是难得的
开展竹类植物基因序列分析的基础数据。由于水稻
等禾本科作物分子生物学研究较全面 ,这些竹类全
长基因序列在水稻等基因组中的直系同源 (ortholo2
gous)基因也往往被测序 ,这样就为基于这些基因序
列开展分子进化和序列组成比较分析提供了绝好的
机会。
本文通过搜索 GenBank数据库获得最新的竹类
植物具有全长核苷酸序列的基因记录及其直系同源
基因 ,利用其中 8个序列数据比较了竹类植物与主
要禾本科大田作物 (水稻、玉米、大麦、小麦 )的系统
进化关系以及它们的序列组成特征等。
1　材料与方法
1. 1　材料
通过搜索 GenBank数据库获得最新的竹类植物具
有全长 mRNA序列的基因记录及其水稻等主要禾本科
作物直系同源基因全长 mRNA序列 (表 1)。获得的 8
条竹类基因序列用于以下系统进化和序列分析。
表 1　竹类植物具有全长 m RNA序列的核基因 [ 3]及其水稻等其它禾本科作物同源 m RNA序列情况
物种 基因 数据库记录号 数量 /条
同源序列
水稻 玉米 小麦 大麦
绿竹 suerose synthase AF412037 - AF412039 3 NM_184941 L22296 AJ000153 X69931
绿竹 UDP - glucese pyrophosphorylase (UGP) AY178448 1 AK119197 AY103595 BT009219 X91347
绿竹 phenylalanine ammonia - lyase ( PAL1) AY450643 1 XM_466846 AY104679 Z49147
绿竹 chitinase AY453406 1 L40337 AY532766 X76041 L34211
绿竹 Sucrose - phosphate synthase AY445835 1 XM_481429 AY109435 AF347064
毛竹 ACC Synthase AB085172 1 AK071011 AY359571 U42336
毛竹 1 - am inocyclop ropane - 1 - carboxylate oxidase AB044747 1 AK104933 AY109855
麻竹 MADS 1 - 18 Protein
AY395714 - AY395715
AY599750 - AY599765
18 AY332478 AJ430641 AY280870 AJ249144
1. 2　方法
同义替换率估计 : 利用 Sm ith2W aterman 算法
( EMBOSS软件包下的 water程序 ) [ 18 ]联配翻译的蛋
白质序列 ,根据该联配结果进行核苷酸序列联配。
去除缺口 ( gap)后 ,利用 PAML ( Phylogenetic Analysis
by Maximum L ikelihood)程序包的 codem l程序 [ 19 ]和
F3 ×4模型 [ 20 ]计算同义替换率。系统发育树利用
PHYL IP软件包 PROTD IST和 NE IGHBOR (邻接法 )
方法构建。
密码子使用频率 :利用密码子使用频率数据库
( Codon U sage Database ) Countcodon 程 序 [ 21 ]
( version4)对 8条全长基因序列 (其中大麦 7条 ,见
表 1)进行频率计算。
661
第 2期 樊龙江等 :竹类植物与水稻等其它禾本科作物的系统进化关系及基因序列组成的比较
2　结果与分析
2. 1　GenBank数据库中有关分类植物核苷酸序列
记录情况
GenBank数据库 [ 3 ]是国际公共核苷酸序列数据
库 ( GenBank /EMBL /DDBJ)之一 ,是世界最主要的分
子生物学数据库。所有研究论文在公开发表前 ,均
被要求将测定的相关核苷酸序列递交该数据库。所
以从该数据库中的竹类植物的核苷酸序列递交情
况 ,可以清楚地了解到目前竹类植物分子生物学 ,特
别是基于核苷酸序列的研究现状。
截止 2005年 3月 12日 , GenBank数据库中来
自竹亚科的核苷酸序列总计 295条 ,其中 257条来
自竹族。该数量是非常少的 ,与同科的大田作物 (如
水稻 150多万条记录 )相差甚远。在竹族的 257条
序列中 ,主要来自一些重要的属 ,如箭竹属 ( Fargesia
Franch1)、刺竹属 (B am busa Schreb1 )、青篱竹属
(A rund ina ria M ichaux)、丘斯夸竹属 ( Chusquea)、牡
竹属 (D end roca lam us Nees)和刚竹属 ( Phyllostachys
Sieb & Zucc1)。这些序列中主要为细胞器 (叶绿体
和线粒体 )基因和核糖体 RNA序列 ,它们主要在一
些与竹类植物、禾本科或更宽泛的植物物种系统进
化研究中被测序 ;同时 ,一些重要基因片段 (如淀粉
合成酶、细胞色素等 )也在竹类植物内被测序用于系
统进化分析。另外 ,毛竹 ( Phyllostachys heterocycla
var. pubescens (Mazel) Ohwi)和绿竹 (D endroca lam opsis
oldham i (Munro) Keng f. )一些全长 mRNA被日本和
台湾学者测序 (表 1) ;同时还有一些竹类转座子、微
卫星 DNA序列等被提交。
2. 2　竹类植物与水稻等其他禾本科作物的系统进
化关系
利用竹类植物现有的 8条全长 mRNA序列进行
的系统进化分析表明 ,竹类与水稻间的所有 8个基
因同义替换率 ( Ks)均为最小 ,而竹类与玉米和竹类
与麦类作物间的同义替换率则互有大小 (数据未列
出 )。它们之间的平均同义替换率见表 2,自然地 ,
竹类与水稻的平均值最小。根据平均同义替换率值
和分子钟假设 ,竹类与水稻的物种分化时间约在 60
万年前 ,而它们与玉米和麦类则在 75～85万年前后
分开 (表 2)。同时 ,从水稻与其他禾本科作物的平
均同义替换率值来看 ,它们之间的亲缘关系均远于
竹类与水稻。
同样地 ,利用这些基因序列均可以分别进行聚
类分析 ,并构建竹类植物与水稻等禾本科作物的系
统进化树。在所建成的进化树中 ,竹类与水稻均首
先聚类在一起 (例见图 1)。
图 1　竹类植物与水稻等其他禾本科作物的系统进化关系
(该系统发育树是基于蔗糖合成酶基因构建 ,详见表 1)
表 2　竹类植物与其他禾本科作物基因同义替换率比较及其分化时间估计
项目 水稻 玉米 小麦 大麦
竹类
同义替换率 Ks 0. 383 ±0. 150 0. 499 ±0. 139 0. 557 ±0. 227 O. 528 ±0. 160
分化时间 /百万年前 58. 9 76. 7 85. 7 81. 2
水稻
同义替换率 Ks / 0. 487 5 ±0. 120 0. 554 ±0. 179 0. 576 ±0. 166
分化时间 /百万年前 / 75. 0 85. 3 88. 6
　　注 :时间估计按每年每同义位点平均替换率 6. 5 ×10 - 9计算 [ 22 ]。
2. 3　竹类植物与水稻等其他禾本科作物基因序列
组成
随着水稻基因组序列的测序 ,一些水稻 ,甚至是
整个禾本科植物基因特有的现象被逐渐发现 ,例如
水稻基因 GC含量沿转录方向呈负梯度分布 [ 23 ]、基
因组中 TIR～NBS～LRR类抗性基因的缺失 [ 24 ]等。
竹类植物基因看来同样具有基因 GC含量沿转录方
向呈负梯度分布的特征 (图 2)。图中可见 ,竹类植
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
物基因在 5’端编码启始位点附近约 1 000 bp区域 ,
GC含量负梯度分布特征明显 ,曲线走势与水稻基因
极为类似 ,相对地 ,与玉米和麦类基因的走势则有较
明显的差异。
不同物种的基因编码对密码子都有所偏好。根
据竹类植物现有的 8条具有全长 mRNA的基因序列
可以大致看出其密码子使用偏好。结果表明 ,竹类
植物使用频率最高的密码子为 GAG ( 0. 54 )、AAG
(0. 45)、GCC ( 0. 35)、GGC ( 0. 34 )、CUC ( 0. 33 )和
GAC (0. 33) (使用频率均大于 0. 30) ,而最不常用的
密码子为 CGA ( 0. 02)、UUA ( 0. 03)、UGU ( 0. 03)、
CUA (0. 04)、GUA ( 0. 05)等 ,这些趋势与禾本科植
物总的密码子使用趋势是一致的。利用竹类植物这
8个基因的直系同源序列 ,同样地可以获得水稻等
基因密码子使用频率。比较竹类与它们的密码子使
用偏好可以看出 ,竹类植物更多地与水稻的密码子
使用偏好相近 ,而与玉米和麦类作物之间的差异略
大些 (图 3)。
图 2　竹类植物、水稻和玉米基因编码区 GC含量变化趋势
(基因序列按编码启始位点对齐并以 129bp窗口平均 )
图 3　竹类植物及水稻等禾本科作物密码子使用频率
(横坐标包括了 61个非终止密码子 ,图中仅标出部分密码子 )
3　讨论
本研究利用最新的基因全长序列比较了竹类植
物和水稻等禾本科作物的系统进化和序列组成等 ,
结果表明 ,在水稻、玉米和麦类作物中 ,竹类植物与
水稻有最近的亲缘关系和更相似的基因序列特征 ,
它们比水稻与玉米或水稻与麦类之间的亲缘关系更
近。虽然水稻和竹类植物现被分属为不同的亚科
内 [ 3, 25 ] ,但在早期的禾本科分类中 ,水稻曾被分在竹
亚科之下 ,与竹类植物分属不同的族 ,而玉米和麦类
则被分在其他亚科内 [ 26 ]。同时 ,竹类植物有着与水
稻一样的染色体基数 (X = 12) [ 27 ]。这些结果使我们
初步认为 ,水稻作为禾本科植物的模式物种 ,与竹类
植物基因组应该存在明显的共线性 ,就象与玉米和
麦类作物基因组一样 ,其基因组序列信息对竹类植
物基因组研究与分析具有重要价值。大量研究表
明 ,水稻与玉米等其他禾本科作物基因组间存在很
好的共线性 ( synteny) [ 28, 29 ]。
根据最新的水稻基因组分析结果 ,水稻等禾本
科作物均经历过一次全基因组倍增 (W hole2genome
dup lication) ,通过序列分析可以在水稻基因组中看
到清晰的基因组倍增遗留下来的痕迹 ;同时水稻还
经历了一次近代的染色体片段倍增 ( Segmental du2
p lication) [ 30, 31 ]。这些重大的遗传事件是否在竹类植
物基因组中留下痕迹 ,以及这一事件对竹类植物可
能引起的遗传效应等有待进一步研究和证实。
在以前的有关竹类系统进化分析中 ,均是基于
核基因片段或细胞器基因 [ 7～11 ]。本研究使用的竹
类植物具有全长序列的基因尚未见其在系统进化和
序列分析中被应用 (其中 MADS基因是由中科院云
南植物所近期提交 ,应用于竹类植物系统进化或分
类分析 ,但尚未见文章报道 )。这些全长基因提供了
完整的序列和代表性样本数据 ,使本研究得以进行。
本研究中由于麦类作物的部分同源基因全长 mRNA
序列尚未被测序或测序完成 ,这可能会部分影响竹
类与麦类作物的相对结果 ,但其影响的程度不会明
显。
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