全 文 ：植物科学学报　 ２０１３ꎬ ３１(５): ４２９~４３８
Ｐｌａｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ
　 　 ＤＯＩ:１０􀆰 ３７２４ / ＳＰ􀆰 Ｊ􀆰 １１４２􀆰 ２０１３􀆰 ５０４２９
蕨类植物 ｐｓｂＤ基因的适应性进化和共进化分析
许 可１ꎬ２ꎬ 王 博１ꎬ２ꎬ 苏应娟３ꎬ 高 磊１ꎬ 王 艇１∗
(１. 中国科学院植物种质创新与特色农业重点实验室ꎬ中国科学院武汉植物园ꎬ 武汉 ４３００７４ꎻ
２. 中国科学院大学ꎬ 北京 １０００４９ꎻ ３. 中山大学生命科学学院ꎬ 广州 ５１０２７５)
摘　 要: Ｄ２蛋白是植物光系统Ⅱ复合体(ＰＳⅡ)核心蛋白之一ꎬ 由叶绿体 ｐｓｂＤ基因编码ꎮ 为了深入理解核心薄
囊蕨类植物在阴生环境下的“辐射”式演化ꎬ 我们对 １２种蕨类植物的 ｐｓｂＤ基因进行了克隆和测序ꎬ 然后联合已
公布的其他 ８种蕨类植物的 ｐｓｂＤ序列ꎬ 基于 ω值(非同义替换率 ｄＮ 和同义替换率 ｄＳ 的比值)探讨了该基因经
受的选择压力ꎮ 发现 Ｄ２蛋白在大多数分支和位点受到强烈的负选择ꎬ 但是树蕨类分支的 ｐｓｂＤ进化速率低且 ω
值较高ꎮ 借助多种模型进行的共进化分析显示ꎬ 树蕨类 Ｄ２蛋白的 １６８Ｒ、 ２４５Ｈ和 ２７２Ｍ两两组成具有共进化关
系的氨基酸位点对ꎮ
关键词: 核心薄囊蕨ꎻ ｐｓｂＤ基因ꎻ 选择压力ꎻ 共进化
中图分类号: Ｑ９４１　 　 　 　 　 文献标识码: Ａ　 　 　 　 　 文章编号: ２０９５￣０８３７(２０１３)０５￣０４２９￣１０
　 　 　 收稿日期: ２０１３￣０４￣１７ꎬ 修回日期: ２０１３￣０６￣２８ꎮ
　 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(３１０７０５９４)ꎻ 湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室开放课题ꎮ
　 作者简介: 许可(１９８７－)ꎬ 男ꎬ 硕士研究生ꎬ 主要从事植物进化遗传学研究(Ｅ￣ｍａｉｌ: ｘｕｋｅ０９＠ｍａｉｌｓ􀆰 ｕｃａｓ􀆰 ａｃ􀆰 ｃｎ)ꎮ
　 ∗通讯作者(Ａｕｔｈｏｒ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ􀆰 Ｅ￣ｍａｉｌ: ｔｉｎｇｗａｎｇ＠ｗｂｇｃａｓ􀆰 ｃｎ)ꎮ
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｓｂＤ Ｇｅｎｅ ｉｎ Ｆｅｒｎｓ:
Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ Ｃｏ￣ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＸＵ Ｋｅ１ꎬ２ꎬ ＷＡＮＧ Ｂｏ１ꎬ２ꎬ ＳＵ Ｙｉｎｇ￣Ｊｕａｎ３ꎬ ＧＡＯ Ｌｅｉ１ꎬ ＷＡＮＧ Ｔｉｎｇ１∗
(１􀆰 Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｇｅｒｍｐｌａｓｍ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅꎬ Ｗｕｈａｎ Ｂｏｔａｎｉｃａｌ Ｇａｒｄｅｎꎬ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｗｕｈａｎ ４３００７４ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２􀆰 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
３􀆰 Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｓｕｎ Ｙａｔ￣ｓｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０２７５ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｅ Ｄ２ ｐｒｏｔｅｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ＰｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍⅡ(ＰＳⅡ) ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｅｎｔｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｉｓ ｅｎｃｏｄｅｄ ｂｙ
ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｏｐｌａｓｔ ｇｅｎｅ ｐｓｂＤ. Ｔｏ ｇａｉｎ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｅ
ｌｅｐｔｏｓｐｏｒａｎｇｉａｔｅ ｆｅｒｎｓ ｉｎ ｌｏｗ￣ｌｉｇｈｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓꎬ ｗｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｄ ｐｓｂＤ ｉｎ ｔｗｅｌｖｅ ｓｐｅｃｉｅｓ ａｎｄ
ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｅｉｇｈｔ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｔｏ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ｅｘｔａｎｔ ｆｅｒｎｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｌｅｖｅｌ. Ｗｅ ｔｈｅｎ ｅｖａｌｕａｔｅｄ
ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ Ｄ２ ｐｒｏｔｅｉｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ω ｖａｌｕｅｓ ( ｎｏｎｓｙｎｏｎｙｍｏｕｓ ｓｙｎｏｎｙｍｏｕｓ
ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ). Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｍｏｓｔ
ｓｉｔｅｓ ａｎｄ ｂｒａｎｃｈｅｓ ｗｅｒｅ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｏｎｇ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎꎬ ｂｕｔ ｔｒｅｅ ｆｅｒｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ｓｌｏｗｅｒ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｒａｔｅ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ω ｖａｌｕｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｆｅｒｎｓ. Ｃｏ￣ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｄ２￣Ｒ１６８ꎬ Ｄ２￣Ｈ２４５ ａｎｄ Ｄ２￣Ｍ２７２ ｏｆ ｔｒｅｅ ｆｅｒｎｓ ｗｅｒｅ
ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏ￣ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: Ｃｏｒｅ ｌｅｐｔｏｓｐｏｒａｎｇｉａｔｅｓꎻ ｐｓｂＤ ｇｅｎｅꎻ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎻ Ｃｏ￣ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
　 　 一般认为ꎬ 伴随被子植物在白垩纪的兴盛ꎬ 包
括蕨类在内的、 非种子植物以外的其他维管植物的
多样性和丰富度都极度下降[１]ꎮ 然而ꎬ 近来有学
者利用分子和化石资料相结合的方法研究却发现ꎬ
随着被子植物的兴起ꎬ 部分蕨类植物因对阴生环境
的适应ꎬ 其物种多样性反而显著增加[２]ꎮ 现存的
蕨类植物超过 １２０００ 种ꎬ 是微管植物中仅次于被
子植物的第二大类群[３]ꎬ 不仅形态性状变异极其
多样ꎬ 而且具有陆生、 水生、 石生和附生等多种类
型ꎮ 考虑到不同生境的环境因子ꎬ 特别是光条件的
明显差异ꎬ 推测蕨类植物在光合作用中起关键作用
的一些功能基因ꎬ 极有可能伴随物种的“辐射”式
分化而发生适应性进化ꎮ
光系统Ⅱ反应是植物吸收光能、 进行光诱导的
电荷分离、 产生电子传递并催化水光解的过程[４]ꎬ
该过程是在光系统Ⅱ( ＰＳⅡ)复合体中完成[５]ꎮ
ＰＳⅡ复合体的核心是由两个结构相似的 Ｄ１ 和 Ｄ２
蛋白组成的光反应中心ꎬ 其中 Ｄ２蛋白由叶绿体基
因 ｐｓｂＤ编码[６]ꎮ Ｄ２蛋白在维持 ＰＳⅡ反应中心构
像的稳定和电子传递方面起重要作用ꎬ 同时还参与
调节 Ｄ１蛋白的表达[７]ꎮ 由于自然选择的作用ꎬ 功
能重要的蛋白质在进化过程中通常会受到较强的选
择压力ꎮ 为度量分子水平的选择压力ꎬ 可估算蛋白
编码基因序列的核苷酸非同义替换率(ｄＮ)和同义
替换率(ｄＳ)的比值 ω(ω ＝ｄＮ / ｄＳ)ꎬ 作为选择压
力的指标[８]ꎮ 另一方面ꎬ 同一蛋白质的氨基酸残
基之间还可能在进化上存在相关性: 重要氨基酸残
基在进化过程中发生的替换有可能因位于其他位点
的残基的替换而得到补偿ꎬ 从而维持蛋白质结构和
功能的稳定ꎮ 这些进化上相关的氨基酸残基ꎬ 被称
为共进化残基(ｃｏ￣ｅｖｏｌｖｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕｅｓ) [９ꎬ １０]ꎮ 鉴定
共进化残基ꎬ 有助于深化对适应性进化复杂机制的
理解[１１]ꎮ
本研究根据 ｐｓｂＤ基因侧翼的保守区序列设计
引物ꎬ 克隆并测定了 １２ 种蕨类植物的 ｐｓｂＤ 基因
序列ꎬ 联合其他已经公布的蕨类植物 ｐｓｂＤ基因序
列ꎬ 进而对 ｐｓｂＤ基因及其编码的 Ｄ２ 蛋白展开了
适应性进化和共进化分析ꎮ 目的是: 第一ꎬ 检测
ｐｓｂＤ基因在蕨类不同分支所受的选择压力ꎻ 第
二ꎬ 鉴定 Ｄ２蛋白发生适应性进化的氨基酸位点ꎻ
第三ꎬ 揭示蕨类植物 Ｄ２蛋白氨基酸位点的共进化
式样ꎮ
１　 材料和方法
１􀆰 １植物材料
实验所用的植物材料采自中国科学院武汉植物
园(ＷＢＧＣＡＳ)ꎬ 中国科学院华南植物园(ＳＣＢＧ￣
ＣＡＳ)和深圳市中国科学院仙湖植物园 ( ＦＢＧ￣
ＳＣＡＳ)ꎬ 另外由 ＧｅｎＢａｎｋ 数据库(ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ􀆰
ｎｃｂｉ􀆰 ｎｌｍ􀆰 ｎｉｈ􀆰 ｇｏｖ / )获得了 ８种蕨类植物以及１种
外类群的 ｐｓｂＤ基因序列(表 １)ꎮ 取样的原则是根
据Ｓｍｉｔｈ等[１２]和刘红梅等[１３]对蕨类植物的分类ꎬ
表 １　 材料来源和 ＧｅｎＢａｎｋ登录号
Ｔａｂｌｅ １　 Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ＧｅｎＢａｎｋ
ａｃｃｅｓｓｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒｓ
种名
Ｓｐｅｃｉｅｓ
采集地点∗∗
Ｌｏｃａｔｉｏｎ
ＧｅｎＢａｎｋ
登录号
ＧｅｎＢａｎｋ
ａｃｃｅｓｓｉｏｎ Ｎｏ.
鹿角蕨 Ｐｌａｔｙｃｅｒｉｕｍ ｂｉｆｕｒｃａｔｕｍ
(Ｃａｖ.) Ｃ.Ｃｈｒ. ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１５９８
巢蕨 Ａｓｐｌｅｎｉｕｍ ａｕｓｔｒａｌａｓｉｃｕｍ
(Ｊ.Ｓｍ.) Ｈｏｏｋ. ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１６０２
欧洲蕨∗
Ｐｔｅｒｉｄｉｕｍ ａｑｕｉｌｉｎｕｍ (Ｌ.) Ｋｕｈｎ ＨＭ５３５６２９
碎米蕨∗
Ｃｈｅｉｌａｎｔｈｅｓ ｌｉｎｄｈｅｉｍｅｒｉ Ｈｏｏｋ. ＨＭ７７８０３２
铁线蕨∗
Ａｄｉａｎｔｕｍ ｃａｐｉｌｌｕｓ￣ｖｅｎｅｒｉｓ Ｌ. ＮＣ＿００４７６６
瘤足蕨 Ｐｌａｇｉｏｇｙｒｉａ ｊａｐｏｎｉｃａ Ｎａｋａｉ ＦＢＧＳＣＡＳ ＫＣ８３１５９９
桫椤∗ Ａｌｓｏｐｈｉｌａ ｓｐｉｎｕｌｏｓａ
(Ｈｏｏｋ.) Ｒ. Ｍ. Ｔｒｙｏｎ ＮＣ＿０１２８１８
笔筒树 Ｓｐｈａｅｒｏｐｔｅｒｉｓ ｌｅｐｉｆｅｒａ
(Ｈｏｏｋ.) Ｒ. Ｍ. Ｔｒｙｏｎ ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１５９４
苹 Ｍａｒｓｉｌｅａ ｑｕａｄｒｉｆｏｌｉａ Ｌ. ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１６０３
蜂巢槐叶蘋 Ｓａｌｖｉｎｉａ ｍｏｌｅｓｔａ Ｍｉｔｃｈｅｌｌ ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１５９５
满江红 Ａｚｏｌｌａ ｃａｒｏｌｉｎｉａｎａ Ｗｉｌｌｄ. ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１６００
海金莎∗
Ｌｙｇｏｄｉｕｍ ｊａｐｏｎｉｃｕｍ (Ｔｈｕｎｂ.) Ｓｗ. ＥＵ３２８２４０
芒萁 Ｄｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓ ｌｉｎｅａｒｉｓ
(Ｂｕｒｍ.) Ｕｎｄｅｒｗ. ＦＢＧＳＣＡＳ ＫＣ８３１６０１
漏斗瓶蕨 Ｖａｎｄｅｎｂｏｓｃｈｉａ ｒａｄｉｃａｎｓ
(Ｓｗ.) Ｃｏｐ. ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１５９７
华南紫萁 Ｏｓｍｕｎｄａ ｖａｃｈｅｌｌｉｉ Ｈｏｏｋ. ＳＣＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１６０５
观音座莲∗ Ａｎｇｉｏｐｔｅｒｉｓ ｅｖｅｃｔａ
(Ｊ. Ｒ. Ｆｏｒｓｔ.) Ｈｏｆｆｍａｎｎ ＮＣ＿００８８２９
松叶蕨∗ Ｐｓｉｌｏｔｕｍ ｎｕｄｕｍ (Ｌ.) Ｂｅａｕｖ. ＮＣ＿００３３８６
劲直阴地蕨
Ｂｏｔｒｙｃｈｉｕｍ ｓｔｒｉｃｔｕｍ Ｕｎｄｅｒｗ. ＷＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１５９６
七指蕨 Ｈｅｌｍｉｎｔｈｏｓｔａｃｈｙｓ ｚｅｙｌａｎｉｃａ
(Ｌ.) Ｈｏｏｋ. ＳＣＢＧＣＡＳ ＫＣ８３１６０４
问荆∗ Ｅｑｕｉｓｅｔｕｍ ａｒｖｅｎｓｅ Ｌ. ＮＣ＿０１４６９９
水韭∗ Ｉｓｏｅｔｅｓ ｆｌａｃｃｉｄａ
Ｓｈｕｔｔｌｅｗ. ｅｘ Ａ. Ｂｒａｕｎ ＮＣ＿０１４６７５
　 　 注: ∗ꎬ 表示由 ＧｅｎＢａｎｋ 获得的数据ꎻ ∗∗ꎬ ＷＢＧＣＡＳ—中国
科学院武汉植物园ꎬ ＳＣＢＧＣＡＳ—中国科学院华南植物园ꎬ
ＦＢＧＳＣＡＳ—深圳市中国科学院仙湖植物园ꎮ
Ｎｏｔｅｓ: ∗Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｄｏｗｎｌｏａｄｅｄ ｆｒｏｍ ＧｅｎＢａｎｋꎻ
∗∗ＷＢＧＣＡＳ—Ｗｕｈａｎ Ｂｏｔａｎｉｃａｌ Ｇａｒｄｅｎꎬ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅ￣
ｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ ＳＣＢＧＣＡＳ—Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｂｏｔａｎｉｃａｌ Ｇａｒ￣
ｄｅｎꎬ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ ＦＢＧＳＣＡＳ—Ｆａｉｒｙ￣
ｌａｋｅ Ｂｏｔａｎｉｃａｌ Ｇａｒｄｅｎꎬ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ａｎｄ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ.
０３４ 植 物 科 学 学 报 第 ３１卷　
使得材料样本覆盖到蕨类植物的目级水平ꎻ 物种丰
富度较高核心薄囊蕨类植物的水龙骨目(Ｐｏｌｙｐｏｄｉ￣
ａｌｅｓ)、 树蕨目(Ｃｙａｔｈｅａｌｅｓ)和水生异型孢子蕨目
(Ｓａｌｖｉｎｉａｌｅｓ)ꎬ 我们分别选取了 ５ 种、 ３ 种和 ３ 种
代表植物ꎮ
１􀆰 ２　 总 ＤＮＡ提取、 ＰＣＲ、 克隆和测序
采用植物基因组 ＤＮＡ抽提试剂盒(ＴＩＡＮＧＥＮꎬ
北京)对材料进行总 ＤＮＡ 的提取ꎬ 实验步骤按照
试剂盒说明书进行ꎮ 根据 ｐｓｂＤ基因侧翼的保守区
设计两对 ＰＣＲ 引物: Ｆ１ ( ５′￣ＴＣＣＹＴＧＴＴＣＡＴＡ￣
ＣＡＴＡＧＧＣＴＴＹＴＣ￣３′)和 Ｒ１(５′￣ＡＴＧＧＴＡＡＧＧＣＧ￣
ＴＡＡＧＴＣＧＴＣ￣３′)、 Ｆ２ ( ５′￣ＣＧＴＧＧＧＣＡＣＣＡＡＧ￣
ＴＡＡＴＴＴＡＣＣＡＧＡ￣３′)和 Ｒ２ (５′￣ＡＴＧＧＴＡＡＧＧＣＧ￣
ＴＡＡＧＴＣＧＴＣ￣３′)ꎮ 引物由上海英骏生物技术有限
公司(上海)合成ꎮ 每 ５０ μＬ ＰＣＲ 反应体系包括:
２􀆰 ５ ｎｇ ＤＮＡ模板、 正反向引物各 ２ μＬ(１０ μｍｏｌ /
Ｌ)、 １􀆰 ５ Ｕ ＬＡ Ｔａｑ ＤＮＡ聚合酶(ＴＡＫＡＲＡꎬ 大连)
和 １０倍 ＰＣＲ缓冲液 ５ μＬ、 ８ μＬ ｄＮＴＰｓꎮ ＰＣＲ 反
应程序为: ①预变性 ９４℃ ７ ｍｉｎꎬ ②变性 ９４℃
３０ ｓꎬ ③退火和延伸 ６２℃ ３ ｍｉｎꎬ ④后延伸 ７２℃
１０ ｍｉｎꎻ 其中② ~③重复 ３５ 个循环ꎮ 将获得的
ＰＣＲ产物纯化后与 ＰＣＲ ２􀆰１ 载体连接ꎬ 热激转化
至大肠杆菌 ＤＨ５αꎬ 然后挑选阳性克隆进行 ＰＣＲ
鉴定ꎮ 随机挑选 ３个阳性克隆送华大生物技术有限
公司(武汉)进行测序ꎮ
１􀆰 ３　 系统发育树的构建
利用 ＭＵＳＣＬＥ 软件[１４]对序列进行比对ꎬ 采
用 Ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ ３􀆰７ 软件[１５]选取最适核苷酸进化模
型ꎮ 运行ＭｒＢａｙｅｓ ３􀆰２ 软件[１６]经贝叶斯途径推测
系统发育关系ꎬ 后验概率依 Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ￣Ｈａｓｔｉｎｇｓ￣
Ｇｒｅｅｎ算法通过马尔可夫链(Ｍａｒｋｏｖ Ｃｈａｉｎ Ｍｏｎ￣
ｔａ Ｃａｒｌｏꎬ ＭＣＭＣ)运行 １００００００ 代估计ꎮ ＭＣＭＣ
分析以随机树起始ꎬ 每 １００ 代保存一棵树ꎮ 使用
Ｔｒａｃｅｒ ｖ１􀆰 ５ 软件[１７]检验收敛程度ꎻ 当所有参数
的有效取样大小(Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｓｉｚｅꎬ ＥＳＳ)
值均大于 ５００ 时ꎬ 认为迭代运算达到收敛ꎮ 摒弃
老化样本(Ｂｕｒｎｉｎ ＝ ２５００) ꎬ 由剩余样本构建一
致树ꎮ
１􀆰 ４　 适应性进化分析
主要利用 ＰＡＭＬ ４􀆰 ５ 软件[１８]完成分析ꎮ 采用
３种模型: (１)分支模型[１９]ꎬ 它允许非同义替换和
同义替换的比值 ω 在不同支系上有变化ꎬ 其中单
比率模型(Ｏｎｅ ｒａｔｉｏ ｍｏｄｅｌ)假定所有进化支的 ω
值都是一致的ꎬ 而自由比率模型(Ｆｒｅｅ ｒａｔｉｏ ｍｏｄｅｌ)
假定各支的 ω 值各不同ꎬ 还有居于两者之间的二
比率模型(Ｔｗｏ ｒａｔｉｏ ｍｏｄｅｌ)假定前景支与背景支
的 ω值不同ꎬ 自由比率模型和二比率模型分别与
单比率模型进行似然比检验(Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｒａｔｉｏ ｔｅｓｔꎬ
ＬＲＴ)ꎬ 检验模型之间是否有显著性差异ꎻ (２)位
点模型[８ꎬ２０]假设不同位点有不同的选择压力ꎬ 模型
Ｍ２ａ(选择) 、 Ｍ３(离散)及 Ｍ８(ｂｅｔａ 和 ω)的假
定条件中均允许存在 ω值大于 １ 的位点ꎬ 与各自
对应的零假设模型 Ｍ１ａ(近中性) 、 Ｍ０(单一比
率)及 Ｍ７(ｂｅｔａ)进行 ＬＲＴ 分析ꎬ 通过比较模型
间差异的显著性来检验正选择位点ꎻ (３)分支￣位
点模型[２１]将进化树上的支系分成前景支和背景支
两类ꎬ 仅仅允许前景支有正选择位点ꎬ 采用分支￣
位点模型 Ａ的检验 ２ 检验前景支是否存在正选择
位点ꎮ
此外ꎬ 还基于机理式和经验式整合模型(Ｍｅ￣
ｃｈａｎｉｓｔｉｃ￣ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌꎬ ＭＥＣ)[２２]、
固定效应似然模型 ( Ｆｉｘｅｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｍｏ￣
ｄｅｌꎬ ＦＥＬ)和单一似然祖先计数法(Ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ
ａｎｃｅｓｔｏｒ ｃｏｕｎｔｉｎｇꎬ ＳＬＡＣ) [２３]进行分析ꎮ ＭＥＣ 分
析利 用 网 络 服 务 器 Ｓｅｌｅｃｔｏｎ ( ｈｔｔｐ: / / ｓｅｌｅｃ￣
ｔｏｎ􀆰 ｔａｕ􀆰 ａｃ􀆰 ｉｌ / )完成ꎬ ＦＥＬ和 ＳＬＣＡ分析采用 Ｄａｔ￣
ａｍｏｎｋｅｙ服务器(ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ􀆰 ｄａｔａｍｏｎｋｅｙ􀆰 ｏｒｇ / )
完成ꎮ
１􀆰 ５　 共进化分析
采用 Ｐｅａｒｓｏｎ相关系数法[２４]、 参数检验法[２５]
和互信息法(Ｍｕｔｕａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ)[２６]等对氨基酸残基
的共进化关系进行了检测ꎮ 通过网络服务器 ＣＡＰＳ
(ｈｔｔｐ: / / ｂｉｏｉｎｆ􀆰 ｇｅｎ􀆰 ｔｃｄ􀆰 ｉｅ / ｃａｐｓ / )[２７]、 Ｓｐｉｄｅｒｍｏｎ￣
ｋｅｙ[２８](ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ􀆰 ｄａｔａｍｏｎｋｅｙ􀆰 ｏｒｇ / )和 Ｉｎｔｅｒｍａｐ
３Ｄ[２９] ( ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ􀆰 ｃｂｓ􀆰 ｄｔｕ􀆰 ｄｋ / ｓｅｒｖｉｃｅｓ / Ｉｎｔｅｒ￣
Ｍａｐ３Ｄ/ )完成分析ꎮ
２　 结果
２􀆰 １　 系统发育关系树的构建
测得的 １２ 种蕨类植物的 ｐｓｂＤ 基因的 ＯＲＦ
１３４　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 许 可等: 蕨类植物 ｐｓｂＤ基因的适应性进化和共进化分析
区长度均为 １０５９ ｂｐꎬ 编码 ３５３ 个氨基酸ꎮ 序列
提 交 至 ＧｅｎＢａｎｋꎬ 登 录 号 为: ＫＣ８３１５９４￣
ＫＣ８３１６０５(表 １)ꎮ 以石松类植物水韭( Ｉｓｏｅｔｅｓ
ｆｌａｃｃｉｄａ)为外类群ꎬ 利用 ｐｓｂＤ 基因序列基于贝
叶斯法重建了 ２０ 种蕨类植物的系统发育树(图
１)ꎬ 该系统树的拓扑结构与 Ｓｍｉｔｈ 等[１２]的报道
基本一致ꎮ 木贼科的问荆(Ｅｑｕｉｓｅｔｕｍ ａｒｖｅｎｓｅ)、
合囊蕨科的观音座莲(Ａｎｇｉｏｐｔｅｒｉｓ ｅｖｅｃｔａ)、 松叶
蕨科的松叶蕨(Ｐｓｉｌｏｔｕｍ ｎｕｄｕｍ)以及瓶儿小草科
的劲直阴地蕨 (Ｂｏｔｒｙｃｈｉｕｍ ｓｔｒｉｃｔｕｍ)和七指蕨
(Ｈｅｌｍｉｎｔｈｏｓｔａｃｈｙｓ ｚｅｙｌａｎｉｃａ)都是蕨类中比较原
始的基部类群ꎬ 聚在一起ꎮ 薄囊蕨类植物的早期
成员华南紫萁 (Ｏｓｍｕｎｄａ ｖａｃｈｅｌｌｉｉ)独自构成一
支ꎬ 占据薄囊蕨类的最基部位置ꎻ 随后是漏斗瓶
蕨(Ｖａｎｄｅｎｂｏｓｃｈｉａ ｒａｄｉｃａｎｓ)与互为姊妹群的芒
萁(Ｄｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓ ｌｉｎｅａｒｉｓ)和海金沙 ( Ｌｙｇｏｄｉｕｍ
ｊａｐｏｎｉｃｕｍ)构成一个单系分支(后验概率 ０􀆰 ８４)ꎮ
核心薄囊蕨的水生异型孢子蕨类(以下简称: 水
生蕨类)、 树蕨类和水龙骨类聚在一起构成单系
分支(后验概率为 １􀆰 ００)ꎮ
２􀆰 ２　 选择压力检测
２􀆰 ２􀆰 １　 运用 ＰＡＭＬ检测选择压力
以用贝叶斯法构建的进化树为树文件ꎬ 利用
ＰＡＭＬ软件对 ｐｓｂＤ基因进行进化分析ꎮ 分支模型
中ꎬ 单比率模型涉及 ４０ 个参数ꎬ 似然值 ℓ０ ＝
－６６４１􀆰 １９ꎬ 估测的 ω 值为 ０􀆰 ０１６５ꎻ 自由比率模
型包括 ７７ 个参数ꎬ 似然值 ℓ１ ＝－６５８０􀆰１９(表 ２)ꎮ
以 ２Δℓ＝２(ℓ１－ℓ０)＝ １２２􀆰 ００ꎬ 进行自由度为 ３７的
χ２ 的比较ꎬ 结果显示自由比率模型显著优于单比
率模型(ｐ<０􀆰 ０１)(表 ３)ꎬ 这提示各支系的 ω值不
同ꎬ 选择压力在支系间异质ꎮ 以树蕨类分支(Ｂ)
为前景支ꎬ 其他分支的为背景支ꎬ 运行二比率模型
!"#$%
Core leptosporangiates
#$%
Leptosporangiates
0.55
A
B
C
0.96
0.84
0.99
0.99
0.51
0.79
0.1
Platycerium bifurcatum
Asplenium australasicum
Pteridium aquilinum
Cheilanthes lindheimeri
Adiantum capillus-veneris
Plagiogyria japonica
Alsophila spinulosa
Sphaeropteris lepifera
Marsilea quadrifolia
Salvinia molesta
Azolla caroliniana
Lygodium japonicum
Dicranopteris linearis
Vandenboschia radicans
Osmunda vachellii
Angiopteris evecta
Psilotum nudum
Botrychium strictum
Helminthostachys zeylanica
Equisetum arvense
Isoetes flaccida
分支上的数字为后验概率ꎬ 后验概率为 １􀆰 ００的未标示ꎬ Ａ、 Ｂ和 Ｃ分别代表水龙骨类、 树蕨类和水生蕨类ꎮ
Ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ａｂｏｖｅ ｂｒａｎｃｈｅｓꎬ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ １􀆰 ００ ａｒｅ ｎｏｔ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ. Ａꎬ Ｂ ａｎｄ Ｃ ｓｔａｎｄ ｆｏｒ
Ｐｏｌｙｐｏｄｉａｌｅｓꎬ Ｃｙａｔｈｅａｌｅｓ ａｎｄ Ｓａｌｖｉｎｉａｌｅｓ.
图 １　 基于蕨类 ｐｓｂＤ基因序列数据利用贝叶斯法得出的一致树
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ ｔｒｅｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｂａｙｅｓｉａｎ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｐｓｂＤ ｇｅｎｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｆｅｒｎｓ
２３４ 植 物 科 学 学 报 第 ３１卷　
表 ２　 ｐｓｂＤ基因在不同模型下的参数估计值和对数似然值
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｅｓｔｉｍａｔｅｓ ａｎｄ ｌｏｇ￣ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｐｓｂＤ ｇｅｎｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ
模型　 　 　 　 　
Ｍｏｄｅｌｓ　 　 　 　 　
参数个数
ｐ∗
似然值
ℓ
参数估计值
Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
正选择位点
Ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ
ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｉｔｅｓ
分支模型
Ｂｒａｎｃｈ ｍｏｄｅｌ
位点模型
Ｓｉｔｅ ｍｏｄｅｌ
分支￣位点模型
Ｂｒａｎｃｈ￣ｓｉｔｅ
ｍｏｄｅｌ
单一比率 (Ｍ０) ４０ －６６４１.１９１４１７ ω＝ ０.０１６４７ 不允许Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
二比率 Ａ (ＭＡ) ４１ －６６３８.６５３８３０ ω０ ＝ ０.０１８６２ꎬ ω１ ＝ ０.００９０７
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
二比率 Ｂ (ＭＢ) ４１ －６６３２.７３９３２１ ω０ ＝ ０.０１４５０３ꎬ ω１ ＝ ０.０８１８８
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
二比率 Ｃ (ＭＣ) ４１ －６６３９.１３５６４８ ω０ ＝ ０.０１７８４ꎬ ω１ ＝ ０.００７４８
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
自由比率 Ｆ (ＭＦ) ７７ －６５８０.１９２３３９
ωａ ＝ ０.０００１ꎬ ωｂ ＝ ０.２１７４ꎬ
ωｃ ＝ ０.０３３３
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
Ｍｏｄｅｌ １ａ (Ｍ１ａ): 近中性 ４１ －６６３２.２９１１１８
ｐ０ ＝ ０.９８９５１ꎬ ω０ ＝ ０.０１４０２ꎬ
ｐ１ ＝ ０.０１０４９ꎬ ω１ ＝ １.０００００
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
Ｍｏｄｅｌ ２ａ (Ｍ２ａ): 正选择 ４３ －６６３２.２９１１１８
ｐ０ ＝ ０.９８９５１ꎬ ω０ ＝ ０.０１４０２ꎬ
ｐ１ ＝ ０.０１０４９ꎬ ω１ ＝ １.０００００ꎬ
ｐ２ ＝ ０.０００００ꎬ ω２ ＝ ４８.７５００４
无
Ｎｏｎｅ
Ｍｏｄｅｌ ３ (Ｍ３): 离散 ４４ －６６１４.６７５２５４
ｐ０ ＝ ０.６９６７３ꎬ ω０ ＝ ０.０００００ꎬ
ｐ１ ＝ ０.２９０４６ꎬ ω１ ＝ ０.０４６９９ꎬ
ｐ２ ＝ ０.０１２８１ꎬ ω２ ＝ ０.３４５１８
无
Ｎｏｎｅ
Ｍｏｄｅｌ ７ (Ｍ７): ｂｅｔａ ４１ －６６１６.６４１２９９ ｐ＝ ０.１７１８２ꎬ ｑ＝ ８.４７１９４ 不允许Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
Ｍｏｄｅｌ ８ (Ｍ８): ｂｅｔａ和 ω>１ ４３ －６６１６.６４４８２１
ｐ０ ＝ ０.９９９９９ꎬ ｐ＝ ０.１７１８２ꎬ
ｑ＝ ８.４７１９０ꎬ ｐ１ ＝ ０.００００１ꎬ
ω＝ ２.６０２３８
无
Ｎｏｎｅ
水龙骨分支 (Ｍａ０):ω２ 固定为 １ ４２ －６６３２.２９１１１８
ｐ０ ＝ ０.９８９５１ꎬ ω０ ＝ ０.０１４０２ꎬ
ｐ１ ＝ ０.０１０４９ꎬ ω１ ＝ １.０００００ꎬ
ｐ２＋ｐ３ ＝ ０.０００００ꎬ ω２ ＝ １.０００００
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
水龙骨分支 (Ｍａ): ω２ 为估计值 ４３ －６６３２.２９１１１８
ｐ０ ＝ ０.９８９５１ꎬ ω０ ＝ ０.０１４０２ꎬ
ｐ１ ＝ ０.０１０４９ꎬ ω１ ＝ １.０００００ꎬ
ｐ２＋ｐ３ ＝ ０.０００００ꎬ ω２ ＝ １.０００００
无
Ｎｏｎｅ
树蕨分支 (Ｍｂ０): ω２ 固定为 １ ４２ －６６２７.７９９２９７
ｐ０ ＝ ０.９３３９１ꎬ ω０ ＝ ０.０１２８０ꎬ
ｐ１ ＝ ０.００９２４ꎬ ω１ ＝ １.０００００ꎬ
ｐ２＋ｐ３ ＝ ０.０５６８５ꎬ ω２ ＝ １.０００００
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
树蕨分支 (Ｍｂ): ω２ 为估计值 ４３ －６６２７.７９９２９７
ｐ０ ＝ ０.９３３９１ꎬ ω０ ＝ ０.０１２８０ꎬ
ｐ１ ＝ ０.００９２４ꎬ ω１ ＝ １.０００００ꎬ
ｐ２＋ｐ３ ＝ ０.０５６８５ꎬ ω２ ＝ １.０００００
１６８Ｒ (５０.０％)
水生蕨分支 (Ｍｃ０): ω２ 固定为 １ ４２ －６６３２.２９１１１８
ｐ０ ＝ ０.９８９５１ꎬ ω０ ＝ ０.０１４０２ꎬ
ｐ１ ＝ ０.０１０４９ꎬ ω１ ＝１.０００００ꎬ
ｐ２＋ｐ３ ＝ ０.０００００ꎬ ω２ ＝ １.０００００
不允许
Ｎｏｔ ａｌｌｏｗｅｄ
水生蕨分支 (Ｍｃ): ω２ 为估计值 ４３ －６６３２.２９１１１８
ｐ０ ＝ ０.９８９５１ꎬ ω０ ＝ ０.０１４０２ꎬ
ｐ１ ＝ ０.０１０４９ꎬ ω１ ＝１.０００００ꎬ
ｐ２＋ｐ３ ＝ ０.０００００ꎬ ω２ ＝ １.０００００
无
Ｎｏｎｅ
注: ｐ∗为 ω分布中参数的个数ꎻ ℓ为最大似然值的对数ꎮ
Ｎｏｔｅｓ: ｐ∗ ｉｓ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ω ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎻ ℓ ｍｅａｎｓ ｌｏｇ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｖａｌｕｅ.
进行检测ꎬ 结果显示树蕨分支的 ω 值是其他分支
的 ５倍多(０􀆰 ０８１８８ / ０􀆰 ０１４５０３≈５􀆰 ６５)ꎻ 秩和检验
结果表明树蕨类分支的非同义替换速率(ｄＮ)与其
他蕨类植物差异不显著(ｐ>０􀆰 ０５)ꎬ 而同义突变速
率(ｄＳ)极显著降低(ｐ<０􀆰 ０１)ꎬ 进而导致树蕨类植
物分支的 ω值较高(图 ２)ꎮ
对 Ｄ２蛋白编码序列位点间选择压力检测结果
表明ꎬ Ｍ３模型显著优于Ｍ０模型(ｐ<０􀆰 ０１)(表 ３)ꎬ
３３４　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 许 可等: 蕨类植物 ｐｓｂＤ基因的适应性进化和共进化分析
表 ３　 ＰＡＭＬ４􀆰 ５软件中不同模型的
似然比值检验统计量(２ Δℓ)
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｒａｔｉｏ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ＰＡＭＬ ｖｅｒｓｉｏｎ ４.５(２ Δℓ)
模型比较
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌｓ
自由度
ｄ.ｆ. ２ Δℓ
ｐ值
ｐ ｖａｌｕｅ
Ｍ０ ＆ ＭＡ １ ５.０８ <０.０５∗
Ｍ０ ＆ ＭＢ １ １６.９０ <０.０１∗∗
Ｍ０ ＆ ＭＣ １ ４.１１ <０.０５∗
Ｍ０ ＆ ＭＦ ３７ １２２.００ <０.０１∗∗
Ｍ１ａ ＆ Ｍ２ａ ２ ０.００ １.００
Ｍ０ ＆ Ｍ３ ４ ５３.０３ <０.０１∗∗
Ｍ７ ＆ Ｍ８ ２ ０.００ １.００
Ｍａ０ ＆ Ｍａ １ ０.００ １.００
Ｍｂ０ ＆ Ｍｂ １ ０.００ １.００
Ｍｃ０ ＆ Ｍｃ １ ０.００ １.００
　 　 注: ＭＡ和 ＭａꎬＭＢ和 ＭｂꎬＭＣ和 Ｍｃ分别代表:以水龙骨类分
支、树蕨类分支和水生蕨类分支为前景支的二比率模型和
分支位点模型ꎻＭＦ 代表自由比率模型ꎻ∗∗代表极显著ꎬ∗
代表显著ꎮ
Ｎｏｔｅｓ: ＭＡ ａｎｄ Ｍａꎬ ＭＢ ａｎｄ Ｍｂꎬ ＭＣ ａｎｄ Ｍｃꎬ ｓｔａｎｄｓ ｆｏｒ ｐｏｌｙ￣
ｐｏｄｉａｌｅｓ ｂｒａｎｃｈｅｓꎬ ｃｙａｔｈｅａｌｅｓ ｂｒａｎｃｈｅｓ ａｎｄ ｓａｌｖｉｎｉａｌｅｓ
ｂｒａｎｃｈｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ｂｒａｎｃｈｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｒａｔｉｏ ｍｏｄｅｌ
ａｎｄ ｂｒａｎｃｈ￣ｓｉｔｅ ｍｏｄｅｌꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎻ ＭＦ ｍｅａｎｓ ｆｒｅｅｄ￣ｒａ￣
ｔｉｏ ｍｏｄｅｌꎻ ∗∗ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅꎬ
∗ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ.
说明位点间承受的选择压力具有异质性ꎻ 而 Ｍ２ａ
和 Ｍ８ 不优于各自对应的零模型 Ｍ１ａ 和 Ｍ７(ｐ>
０􀆰 ０５)(表 ３)ꎬ 因此这两对模型进行比较无法检验
正选择ꎮ 模型 Ｍ３中 ３类密码子位点的 ｐ０、 ｐ１和
ｐ２ 分别对应的 ω 值为 ０􀆰 ０００００、 ０􀆰 ０４６９９ 和
０􀆰 ３４５１８ꎬ 说明 ９８􀆰 ７％左右的位点处于较强的负选
择压力(表 ２)ꎮ
由于核心薄囊蕨(水龙骨类ꎬ 树蕨类和水生
蕨类)占蕨类总数 ８０％以上[３０] ꎬ 分布范围更加广
泛ꎬ 生境也更加多样化(包含旱生、 水生和附生
等[３１ꎬ３２] )ꎬ 为了检测核心薄囊蕨的 ｐｓｂＤ 基因是
否经历插曲式自然选择ꎬ 分别设置水龙骨类(ａ)、
树蕨类(ｂ)和水生异型蕨类(ｃ)为前景支ꎬ 采用
分支￣位点模型进行正选择位点的检测ꎮ 分支 ａ 和
分支 ｃ上没有检测出正选择位点ꎬ 分支 ｂ 虽然检
测到 １６８Ｒ 一 个 正 选 择 位 点 (后 验 概 率 为
５０􀆰 ０％)ꎬ 但似然比检验拒绝存在正选择位点的
假设(表 ３)ꎬ 因此分支 ｂ 的检测不能作为可信的
正选择证据ꎮ
0.01 subst. / site
dN
Adiantum capillus-veneris
Cheilanthes lindheimeri
Pteridium aquilinum
Platycerium bifurcatum
Asplenium australasicum
Sphaeropteris lepifera
Alsophila spinulosa
Plagiogyria japonica
Salvinia molesta
Azolla caroliniana
Marsilea quadrifolia
Dicranopteris linearis
Lygodium japonicum
Vandenboschia radicans
Osmunda vachellii
Botrychium strictum
Helminthostachys zeylanica
Psilotum nudum
Angiopteris evecta
Equisetum arvense
Isoetes flaccida
0.1 subst. / site 0.1
A. capillus-veneris A. capillus-veneris
C. lindheimeri C. lindheimeri
P. aquilinum P. aquilinum
P. bifurcatum P. bifurcatum
A. australasicum A. australasicum
S. lepifera S. lepifera
A. spinulosa A. spinulosa
P. japonica P. japonica
S. molesta S. molesta
A. caroliniana A. caroliniana
M. quadrifolia M. quadrifolia
D. linearis D. linearis
L. japonicum L. japonicum
V. radicans V. radicans
O. vachellii O. vachellii
B. strictum B. strictum
H. zeylanica H. zeylanica
P. nudum P. nudum
A. evecta A. evecta
E. arvense E. arvense
I. flaccida I. flaccida
dS d dN S/
图 ２　 自由比率模型下的选择压力检测结果ꎬ 支长分别代表 ｄＮ、 ｄＳ 和 ω(ω＝ｄＮ / ｄＳ)值ꎬ 阴影区域代表树蕨类
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｒｅｅ￣ｒａｔｉｏ ｍｏｄｅｌꎬ ｂｒａｎｃｈ ｌｅｎｇｔｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｄＮꎬ
ｄＳ ａｎｄ ω (ω＝ｄＮ / ｄＳ) ｖａｌｕｅｓꎬ ｔｒｅｅ ｆｅｒｎｓ ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ｉｎ ｓｈａｄｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ
４３４ 植 物 科 学 学 报 第 ３１卷　
２􀆰 ２􀆰 ２　 基于 Ｓｅｌｅｃｔｏｎ和 Ｄａｔａｍｏｎｋｅｙ检测选择压力
２􀆰 ２􀆰 ２􀆰 １　 利用Ｓｅｌｅｃｔｏｎ的ＭＥＣ模型分析选择压力
根据 ＭＥＣ 模型计算出的各个位点 ω >１ 的
ＢＥＢ后验概率以及 ω 值绘制成图 ３ꎬ 总长为 ３５３
个氨基酸位点ꎬ 在后验概率大于 ９５％条件下ꎬ 以
ω≤０􀆰 ２１为标准的负选择位点有 ３４９ 个ꎬ 占总序
列的 ９８􀆰 ９％ꎻ 以 ω>１为标准在后验概率大于 ８０％
的条件下ꎬ 没有正选择位点ꎮ
２􀆰 ２􀆰 ２􀆰 ２　 基于 Ｄａｔａｍｏｎｋｅｙ检测选择压力
利用 ＳＬＡＣ 模型和 ＦＥＬ 模型ꎬ 在 ｐ ＝０􀆰 ０５ 的
标准下ꎬ 未检测到正选择位点ꎬ 分别鉴定出 ２３４
个和 ２６８个负选择位点ꎮ 这提示负选择起主导作
用ꎮ
２􀆰 ３　 Ｄ２蛋白序列的共进化分析
采用多种方法在 Ｄ２蛋白氨基酸序列内部共鉴
定出 １３对共进化位点对ꎮ ＣＡＰＳ 方法鉴定出 １ 对
共进化位点对ꎬ 它们的共进化方式与蛋白质的疏水
性和分子量均呈极显著相关(ｐ<０􀆰 ０１)ꎮ Ｓｐｉｄｅｒ￣
ｍｏｎｋｅｙ模块共检测 ５对共进化位点对ꎬ 鉴定过程
如下: 经贝叶斯图形模型 ( Ｂａｙｅｓｉａｎ ｇｒａｐｈｉｃａｌ
ｍｏｄｅｌｓꎬ ＢＧＭｓ)进行预处理ꎬ 在 ２５ 个分支的 ５７
个位点上发现有 ９１ 个非同义替换存在潜在的共进
化关系ꎬ 在 ｐ＝０􀆰 ５的水平ꎬ 进一步运行 ＢＧＭｓ 模
型的单亲模型(Ｏｎｅ ｐａｒｅｎｔ)和双亲模型(Ｔｗｏ ｐａ￣
ｒｅｎｔ)共鉴别出 ５ 对共进化对ꎮ 最后利用 ＩｎｔｅｒＭａｐ
３Ｄ中的行列加权互信息(ＲＣＷ￣ＭＩ)、 互信息￣熵比
(ＭＩ / Ｅ)和依赖性(Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ) ３ 个模型共鉴定
出 １０对共进化位点对(表 ４)ꎮ 其中有 ４ 对共进化
位点在两种服务器均被检测到ꎮ
３　 讨论
３􀆰 １　 树蕨类植物分子进化速率降低
利用 ｐｓｂＤ基因构建的系统发育树中树蕨类植
物分支(Ｂ)的支长较短(图 １)ꎬ 说明树蕨类植物
ｐｓｂＤ基因的核苷酸替换速率低于其他蕨类植物ꎬ
树蕨类进化速率降低不仅存在于叶绿体基因[３３]ꎬ
也存在于核基因和线粒体基因[３４]ꎬ 可能因为:
(１)树蕨类的世代周期较长ꎬ 如瘤足蕨属(Ｐｌａｇｉｏ￣
ｇｙｒｉａ)的世代周期为 １５ 年[３５]ꎬ 因生殖引起的核苷
酸替换的几率较小ꎬ 同样的现象也存在于被子植物
中ꎬ 多年生植物进化速率低于一年生种类[３６]ꎻ
(２)树蕨类植物大多是零星式分布ꎬ 有效种群规模
较小[３７]ꎬ 缺乏有效的基因交流ꎬ 种群中的遗传变
异容易因漂变而丢失ꎮ
３􀆰 ２　 不同分支上自然选择作用
侏罗纪时代蕨类植物曾在地球上极为繁盛ꎬ 伴
1
1
11
11
21
21
31
31
41
41
51
51
61
61
71
71
81
81
91
91
10
1
10
1
11
1
11
1
12
1
12
1
13
1
13
1
14
1
14
1
15
1
15
1
16
1
16
1
17
1
17
1
18
1
18
1
19
1
19
1
20
1
20
1
21
1
21
1
22
1
22
1
23
1
23
1
24
1
24
1
25
1
25
1
26
1
26
1
27
1
27
1
28
1
28
1
29
1
29
1
30
1
30
1
31
1
31
1
32
1
32
1
33
1
33
1
34
1
34
1
35
1
35
1
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
ω
!
"
#
ω
es
tim
at
ed
v
al
ue
s
ω
1$
%
&
＞
p-
va
lu
e
fo
r ω
＞
1
()*+,-. Amino acide site No.
　 　 　 　 氨基酸位点编号参照笔筒树 ｐｓｂＤ基因序列ꎮ
　 　 　 　 Ｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｎｕｍｂｅｒｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｓｂＤ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｙａｔｈｅａ ｌｅｐｉｆｅｒａ.
图 ３　 ＭＥＣ所估计的参数值
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ＭＥＣ
５３４　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 许 可等: 蕨类植物 ｐｓｂＤ基因的适应性进化和共进化分析
表 ４　 Ｄ２蛋白的共进化对
Ｔａｂｌｅ ４　 Ｃｏ￣ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐａｉｒｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｄ１ ｐｒｏｔｅｉｎ
服务器
Ｗｅｂｓｉｔｅｓ
共进化对
Ｃｏ￣ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｐａｉｒｓ
ＣＡＰＳ １８ １９
Ｓｐｉｄｅｒｍｏｎｋｅｙ １６８ ２４５
１８０ ６４
２１０ ２８５
２４１ １７８
２８８ １９
４５ １１５
ＩｎｔｅｒＭａｐ３Ｄ ４１ １２２
１６８ ２４５
１６８ ２７２
２４５ ２７２
１９ ２８８
８ １４
８ ８４
６４ １８０
１８ １１７
４５ １１５
　 　 注: 字体加粗的数字表示被一种以上服务器鉴定出的共进化位点ꎮ
Ｎｏｔｅ: Ｎｕｍｂｅｒｓ ｉｎ ｂｏｌｄ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｓｉｔｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｔｅｃ￣
ｔｅｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｃｅ.
随着被子植物在白垩纪的兴起ꎬ 陆地生态系统开始
发生明显改变ꎮ 水龙骨类祖先和水生蕨类祖先通过
生态型分化(石生、 附生和泽生等)ꎬ 大部分栖息
于被子植物难于生存的环境[３]ꎬ 而树蕨类植物与
部分被子植物生境重叠(如发现桫椤和竹子部分生
态位重叠[３７])ꎬ 争夺光的环境压力更大ꎮ 在分子水
平进行选择压力检测证实ꎬ 树蕨类植物的 ＰＳⅡ复
合体 Ｄ２蛋白受到选择压力显著不同于其他蕨类ꎮ
３􀆰 ３　 具有重要功能的位点进化
本研究采用的位点模型和分支位点模型均未检
测到正选择位点ꎮ 可能是因为 ｐｓｂＤ基因序列数据
包含的变异太少ꎬ 适应性信号被淹没于极其普遍的
净化选择之中ꎮ 其次ꎬ 从进化的时间上考虑ꎬ 核心
薄囊蕨的水龙骨类、 树蕨类和水生蕨类在 ２􀆰 １ ~
２􀆰 ２亿年前已经分化[２]ꎬ 如果适应性进化发生在早
期并已经被固定下来ꎬ 鉴定单个或者是少数几个的
正选择会更加困难ꎮ 所以ꎬ 即使 ｐｓｂＤ基因编码的
Ｄ２蛋白在核心薄囊蕨分化的早期发生过正选择ꎬ
但是由于有可能被掩盖在不影响其功能的中性替换
中ꎬ 因此需要开发新的方法检测功能重要位点的适
应进化ꎮ
本研究利用多种方法鉴定出蕨类植物 Ｄ２ 蛋白
分子内 １３对共进化位点ꎬ 这些位点为理解蕨类植
物 Ｄ２进化机制提供了重要信息ꎬ 如鉴定出的 ４５Ｓ
和 １１５Ⅰ位点ꎬ 在水生蕨类中共进化ꎬ 这两个位点
对应的密码子均是回复突变ꎬ ４５Ｓ 与水韭的一致ꎬ
１１５Ⅰ与蓝藻的一致ꎮ 考虑到水韭和蓝藻均为水生
植物ꎬ 这两个位点的回复突变可能与水生生活形态
有关ꎮ
２０１１年ꎬ Ｕｍｅｎａ 等报道了蓝藻(Ｔｈｅｒｍｏｓｙｎ￣
ｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ ｖｕｌｃａｎｕｓ)ＰＳⅡ复合体分辨率为 １􀆰 ９Å
的晶体结构ꎬ 表明 Ｄ２￣Ｙ２４４ 与 Ｆｅ＋２结合相关[３８]ꎬ
该位点对其结构的稳定和功能的实现具有重要意
义ꎮ 然而树蕨类植物与之相应的位点 ２４５ꎬ 由疏水
性酪氨酸(Ｙ)替换成碱性组氨酸(Ｈ)ꎬ 考虑到正电
荷与负电荷之间可形成离子键ꎬ 该位点的突变可能
加强了与 Ｆｅ＋２的结合ꎮ 共进化分析显示ꎬ 树蕨类植
物 １６８Ｒ、 ２７２Ｔ和 ２４５Ｈ构成的共进化网络ꎬ 一方
面说明 ２４５Ｈ位点很重要ꎬ 该位点的突变需要其他
位点进行补偿以维持 ＰＳⅡ复合体结构的稳定和功
能的实现ꎻ 另一方面说明蛋白质水平分子进化的作
用机制复杂ꎬ 单个具有重要功能的氨基酸位点改变
可能引起连锁反应ꎮ
参考文献:
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(责任编辑: 王豫鄂)
８３４ 植 物 科 学 学 报 第 ３１卷