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DNA Barcoding of the Genus Rehmannia (Scrophulariaceae)

地黄属植物的DNA条形码研究



全 文 :植物科学学报  2015ꎬ 33(1): 25~32
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 11913 / PSJ􀆰 2095-0837􀆰 2015􀆰 10025
地黄属植物的 DNA条形码研究
程芳婷ꎬ 李忠虎ꎬ 刘春艳ꎬ 原 超ꎬ 李雪童ꎬ 刘占林∗
(西部资源生物与现代生物技术教育部重点实验室ꎬ 西北大学生命科学学院ꎬ 西安 710069)
摘  要: 地黄属(Rehmannia)为玄参科(Scrophulariaceae)药用植物ꎬ 广泛分布于中国中东部及北部地区ꎮ 由于
地黄属植物经历了快速成种ꎬ 导致其属内物种间形态性状差异较小ꎬ 运用传统的形态学分类方法已难以准确地
鉴定物种ꎬ 近年来迅速发展起来的 DNA条形码技术为快速、 准确地鉴别物种提供了新思路ꎮ 本研究选用 3 个叶
绿体 DNA非编码区片段( trnL ̄trnF、 trnM ̄trnV 和 trnS ̄trnG)及核基因 ITS 片段ꎬ 运用 PWG ̄distance 和 Tree ̄
Building两种方法对地黄属 5个物种 75个个体进行了 DNA条形码分析ꎮ 结果表明: 单个叶绿体 DNA片段或核
基因 ITS片段对地黄属物种的鉴别率较低(0%~20%)ꎬ 组合的叶绿体 DNA 片段分辨能力虽然高于单个 DNA 片
段ꎬ 但并不能将地黄属 5个物种完全区分开ꎻ trnS ̄trnG+ITS片段组合的分辨率可达 100%ꎬ 能够将地黄属 5 个
物种准确区分ꎬ 与所有叶绿体 DNA片段和核基因 ITS 片段组合( trnL ̄trnF+trnM ̄trnV +trnS ̄trnG+ITS)的辨别率
相同ꎬ 因此推荐 trnS ̄trnG+ITS作为地黄属植物的标准条形码ꎮ 此外ꎬ 利用 DNA条形码鉴别物种时ꎬ 可采用叶
绿体 DNA片段和核 DNA片段组合的方法来提高物种鉴定的成功率ꎮ
关键词: DNA条形码ꎻ 地黄属ꎻ 叶绿体 DNAꎻ 核基因 ITS片段ꎻ 分辨率
中图分类号: Q949􀆰 777􀆰 8          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2015)01 ̄0025 ̄08
      收稿日期: 2014 ̄04 ̄14ꎬ 退修日期: 2014 ̄05 ̄15ꎮ
  基金项目: 国家自然科学基金项目资助(31170311ꎬ 31370353)ꎮ
  作者简介: 程芳婷(1989-)ꎬ 女ꎬ 硕士研究生ꎬ 研究方向为系统与进化植物学(E ̄mail: tfcUUR@126􀆰 com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: liuzl@nwu􀆰 edu􀆰 cn)ꎮ
DNA Barcoding of the Genus Rehmannia (Scrophulariaceae)
CHENG Fang ̄Tingꎬ LI Zhong ̄Huꎬ LIU Chun ̄Yanꎬ YUAN Chaoꎬ LI Xue ̄Tongꎬ LIU Zhan ̄Lin∗
(Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western Chinaꎬ Ministry of Educationꎬ
College of Life Sciencesꎬ Northwest Universityꎬ Xi′an 710069ꎬ China)
Abstract: Rehmanniaꎬ a genus of Scrophulariaceaeꎬ is widely distributed in centralꎬ eastern
and northern China. Howeverꎬ it is relatively difficult to distinguish species by traditional
morphological methods due to rapid speciation of the genus. Recently developed DNA
barcoding provides a new approach to identify species quickly and accurately. In this studyꎬ
three candidate DNA noncoding regions ( trnL ̄trnFꎬ trnM ̄trnV and trnS ̄trnG ) from the
chloroplast genome and internal transcribed spacer ( ITS) region from the nuclear genome
were evaluated among 75 individuals of five species of Rehmanniaꎬ and identification efficiency
was assessed using PWG ̄distance and Tree ̄Building methods. Results indicated that the five
Rehmannia species could not be accurately distinguished by single or the combination of
chloroplast DNA fragments with low species discrimination rates (0%-20%)ꎬ but could by
the combination of chloroplasts and nuclear DNA regions ( trnS ̄trnG + ITS ) with 100%
discrimination rates. Thusꎬ trnS ̄trnG + ITS can be considered as a potential barcode for
species identification in Rehmannia. The combination of chloroplasts and nuclear fragments
can be widely adopted for the discrimination of plant species when a single DNA barcode fails.
Key words: DNA barcodingꎻ Rehmanniaꎻ Chloroplast DNAꎻ nrDNA ITSꎻ Discrimination rate
    地黄属 ( Rehmannia Libosch. ex Fisch. et
Mey.)是玄参科(Scrophulariaceae)多年生草本植
物ꎬ 广布于中国中东部及北部地区ꎮ «中国植物志»
记载地黄属有 6 个种ꎬ 包括天目地黄(R􀆰 chingii
Li.)、 裂叶地黄(R. piasezkii Maxim.)、 高地黄(R.
elata N􀆰 E􀆰 Brown)、 湖北地黄 ( R􀆰 henryi N􀆰 E.
Brown)、 茄叶地黄(R􀆰 solanifolia Tsoonget Chin)ꎬ
还有我国著名的传统中药材地黄 [ R􀆰 glutinosa
(Gaetn.) Libosch. ex Fisch. et Mey.]ꎮ 但近年来
的形态学、 化学成分以及分子证据均显示高地黄和
裂叶地黄的表型性状相似、 组成成分相近且遗传组
成也趋于一致ꎬ 两者实为同一物种[1]ꎮ 长期以来ꎬ
不同学者对地黄属植物的研究多偏重于地黄的药
性、 化学成分及品种间遗传基础和系统发育关系等
方面[1-4]ꎮ 如闰坤等[1]和 Albach 等[4]利用叶绿体
DNA片段和 nrDNA ITS 序列明确了地黄属 6 个物
种的系统发育关系ꎬ 并结合植物化学、 形态解剖学
及细胞学证据对其种间关系进行了研究ꎬ 认为该属
物种为单系类群ꎮ 此外ꎬ 地黄属植物分布范围广ꎬ
且不同地区间的物种在外观形态性状上差异较小ꎬ
以致经常造成分类学上的混乱ꎮ 然而目前对该属植
物种间关系的划分却仅局限于传统的形态学分类方
法ꎬ 如叶片与花粉形态、 花色及种子微形态等ꎮ 就
地黄属种子的形态鉴定指标而言ꎬ 天目地黄和湖北
地黄较一致ꎬ 裂叶地黄和高地黄相近ꎬ 而地黄在种
子长度、 宽度上与天目地黄和湖北地黄接近ꎬ 在外
种皮内侧网纹直径上与裂叶地黄和高地黄接
近[1ꎬ5]ꎮ 另外ꎬ 同一地域生长的地黄属植物植株叶
形态也有很大差异ꎬ 如裂叶地黄的叶片具有裂叶和
圆叶两种类型ꎬ 且其圆形叶与天目地黄的叶片非常
相似ꎬ 致使在野外采集时难以区分这两个种ꎬ 因此
鉴于形态学分类的局限性ꎬ 有必要借助 DNA 条形
码技术对地黄属物种进行准确区分和鉴定ꎮ 除地黄
作为传统的中药植物外ꎬ 地黄属内的其它物种还具
有潜在的药用与观赏价值[6]ꎬ 故准确鉴别地黄属
物种对研究地黄属植物的系统发育关系以及资源的
开发利用都具有重要意义ꎮ
近年来ꎬ DNA 条形码技术(DNA barcoding)
的发展为解决地黄属内物种的划分和鉴定提供了新
的工具ꎮ 2003年 Hebert 等[7]正式提出将 DNA 条
形码用于分类学研究ꎬ 即利用一个或多个 DNA 片
段实现对物种快速准确的鉴定ꎮ 与传统鉴定方法的
理论基础不同ꎬ DNA 条形码技术是基于物种基因
型的差异ꎬ 而不是与环境密切相关的表型ꎬ 它克服
了传统鉴定方法的诸多缺陷ꎬ 具有鉴定结果准确、
可重复性好、 方法通用性强等优点[8]ꎮ 在植物中
多选择进化速率较快的叶绿体基因片段和核糖体内
转录间隔区( internal transcribed spacersꎬ ITS)作
为鉴别植物物种的 DNA条形码[9-11]ꎮ 2009年生命
条形码联盟植物工作组 (CBOL Plant Working
Group)提出将 rbcL+matK片段组合作为陆地植物
的核心条形码ꎬ 并建议将叶绿体基因 psbA ̄trnH
片段和核基因 ITS 片段作为补充的 DNA 条形
码[12ꎬ13]ꎮ 2011年中国植物条形码研究团队(China
Plant BOL Group)通过对大量数据的综合分析ꎬ
提出将 nrDNA ITS / ITS2纳入到种子植物的核心条
形码中[14]ꎮ
为了筛选出更适合地黄属植物的候选或标准条
形码ꎬ 我们研究了目前推荐使用的 3 个叶绿体
DNA条形码片段(psbA ̄trnH、 matK、 rbcL)、 核
基因 ITS片段以及进化速率较快的 3个候选叶绿体
DNA片段( trnL ̄trnF、 trnM ̄trnV和 trnS ̄trnG)ꎬ 并
评估它们在地黄属植物 5 个物种 75 个个体间的通
用性及物种鉴别能力ꎬ 尝试筛选出适合该属植物物
种鉴定的 DNA条形码片段或片段组合ꎬ 以期为地
黄属物种的快速、 准确鉴定提供科学依据ꎮ
1  材料与方法
1􀆰 1  实验材料
选取地黄属(Rehmannia)植物 5 个物种 13 个
居群的 75个个体作为研究材料(表 1)ꎬ 每个物种
至少 5个个体ꎮ 采集 13 个地黄属植物野生居群的
幼嫩叶片ꎬ 经硅胶快速干燥后带回实验室保存、 备
用ꎮ 同时压制地黄属植物物种标本并存放于西北大
学生命科学学院ꎮ
1􀆰 2  实验方法
1􀆰 2􀆰 1  DNA提取、 PCR扩增及测序
根据植物基因组 DNA 小型提取试剂盒(Plant
Genomic DNA kit)说明书操作步骤提取样品(约
20 mg干燥叶片)总 DNAꎮ 各基因片段的 PCR扩
62 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
表 1  材料来源
Table 1  Origin of Rehmannia material
物种
Species
居群
Populations
个体数
Individual No.
经度
Longitude
纬度
Latitude
海拔(m)
Altitude
地黄 R. glutinosa
茄叶地黄 R. solanifolia
天目地黄 R. chingii
湖北地黄 R. henryi
裂叶地黄 R. piasezkii
山西大同 Datongꎬ Shanxi(DT) 5 113.0 40.1 1098
甘肃崇信 Chongxinꎬ Gansu(CC) 5 107.0 35.2 1215
山西长治 Changzhiꎬ Shanxi(CZ) 5 113.0 36.1 929
四川隘口 Aikouꎬ Sichuan(AK) 5 107.5 31.5 787
山东泰安 Taianꎬ Shandong(TA) 5 117.1 36.2 203
重庆城口 Chengkouꎬ Chongqing(CK) 10 108.1 31.7 950
安徽绩溪 Jixiꎬ Anhui(AH) 5 118.5 30.1 222
安徽棠溪 Tangxiꎬ Anhui(TX) 5 117.6 30.4 86
浙江丽水 Lishuiꎬ Zhejiang(LS) 5 120.0 28.4 195
湖北宜昌 Yichangꎬ Hubei (YC) 10 110.6 31.3 299
陕西后柳 Houliuꎬ Shanxi(HL) 5 108.2 32.9 383
湖北保康 Baokangꎬ Hubei(BK) 5 111.5 31.9 251
湖北竹山 Zhushanꎬ Hubei(ZS) 5 110.2 32.1 495
增在 PTC ̄100PCR 仪上完成ꎬ 反应体系为 20 μLꎬ
包含 20 ~30 ng 模板 DNA、 40 mmol / L Tris ̄HCL
(pH 8􀆰 3)、 6 mmol / L MgCl2、 1 mmol / L dNTPs、
0􀆰 3 μL的正反扩增引物(表 2)、 0􀆰 3 U Taq DNA
聚合酶ꎮ PCR扩增产物经琼脂糖凝胶电泳检测后ꎬ
送往上海生工生物公司利用 ABI3130xl遗传分析仪
进行测序ꎮ
1􀆰 2􀆰 2  数据处理
采用软件 Bioedit 7􀆰 0􀆰 9􀆰1[22]和 MEGA 5􀆰0[23]
对原始序列进行人工校对ꎬ 并利用 DnaSP 5􀆰0[24]
统计每个基因片段的 indels(插入或缺失碱基)和单
核苷酸多态性(SNPs)ꎮ 将 4 个 DNA 片段( trnL ̄
trnF、 trnM ̄trnV、 trnS ̄trnG 及核基因 ITS)单独构
建矩阵、 3个叶绿体 DNA 片段两两组合或全部组
合来构建矩阵、 叶绿体 DNA 片段与核基因 ITS 片
段联合构建矩阵ꎬ 来评估单个基因片段或基因片段
组合的 DNA条形码对地黄属物种的辨别能力ꎮ 利
用软件 MEGA 5􀆰 0[23]对 4个 DNA片段种内、 种间
的 Kimura ̄2 ̄parameter 遗传距离进行分析ꎬ 并构
建单个基因片段以及片段组合的邻接树(NJ)ꎻ 同
时利用两种不同的方法ꎬ 即 PWG(Plant Working
Group)距离法[25]和构建 NJ 系统聚类树 ( Tree ̄
Building)法ꎬ 对地黄属物种的鉴别力予以评估ꎮ
生命条形码联盟植物工作组推荐使用的 PWG 距离
法(单独计算每个物种的遗传距离)认为ꎬ 只有种
间最小的遗传距离大于种内最大的遗传距离时才表
明物种鉴定成功ꎮ 而利用 Tree ̄Building 方法时ꎬ
只有同一个物种的不同个体在构建的 NJ 系统树上
形成单系分支才认为物种鉴定成功[14]ꎮ
2  结果与分析
2􀆰 1  基因片段序列
由于国际生命条形码联盟(CBOL)植物工作组
所建议使用的 3 个叶绿体基因片段 psbA ̄trnH、
matK、 rbcL在地黄属植物 5 个物种中扩增反应及
测序结果均不理想ꎬ 本研究利用 3 个候选叶绿体
DNA片段( trnL ̄trnF、 trnM ̄trnV、 trnS ̄trnG)及核
基因 ITS片段对地黄属植物 13个居群 75个个体进
行了 PCR扩增及目的电泳谱带的测序(成功率均
为 100%)ꎬ 共获得 225 个叶绿体 DNA 序列、 75
个核基因 ITS序列ꎮ 对位排列后(表 3)ꎬ 3 个叶绿
体 DNA片段的序列长度范围为 739~806 bpꎬ 其
中 trnL ̄trnF片段的序列长度为 806 bpꎬ trnM ̄trnV
片段 756 bpꎬ trnS ̄trnG 片段 739 bpꎻ ITS 片段
598 bpꎮ 4个 DNA 条形码基因片段中ꎬ trnS ̄trnG
的变异位点最多ꎬ 共 37 个(包括 13 个 SNPsꎬ 24
个 indels)ꎬ 占其序列总长度的 5􀆰 01%ꎻ 其次是
trnL ̄trnFꎬ 共 13个变异位点(9 个 SNPsꎬ 4 个 in ̄
dels)ꎬ 变异率为 1􀆰 61%ꎻ 再次是 trnM ̄trnVꎬ 共
16 个变异位点(12 个 SNPsꎬ 4 个 indels)ꎬ 占其
序列总长度的 2􀆰 12%ꎻ 变异位点最少的是核基因
72  第 1期                            程芳婷等: 地黄属植物的 DNA条形码研究
表 2  PCR扩增引物
Table 2  Primer pairs used for PCR amplification and sequencing for DNA barcoding
基因片段
Gene Amplification region
引物序列
Primers sequence (5′-3′)
来源
Reference
trnL ̄trnF F: TCCTCCGCTTATTGATATGCR: ATTTGAACTGGTGACACGAG
Taberlet et al.[15]
Taberlet et al.[15]
trnM ̄trnV trnM: TACCTACTATTGGATTTGAACCtrnV: GCTATACGGGCTCGAACC
Cheng et al.[16]
Cheng et al.[16]
trnS ̄trnG trnS: AACGGATTAGCAATCCGACGCTTTAtrnG: CTTTTACCACTAAACTATACCCGC
Dong et al.[17]
Dong et al.[17]
psbA ̄trnH psbA: GTTATGCATGAACGTAATGCTCtrnH: CGCGCATGGTGGATTCACAATC
Sang et al.[18]
Tate et al.[19]
matK F: ACCCAGTCCATCTGGAAATCTTGGTTCR: CGTACAGTACTTTTGTGTTTACGAG
Hilu et al.[20]
Hilu et al.[20]
rbcL F: ATGTCACCACAAACGGAGACR: GCAGCTAATTCAGGACTCC
Ivanova et al.[21]
Ivanova et al.[21]
ITS ITS4: TGTGACGATGCCCGAGAAGAITS5: TCGAAACCTGCAAAGCAGACC
Modified from White et al.[22]
Modified from White et al.[22]
表 3  用于条形码分类的 DNA片段长度、测序成功率和变异位点信息
Table 3  Sequence lengthꎬ sequencing success rate and variation site of each DNA region
基因片段
Gene region
序列比对长度
Aligned sequence
length (bp)
PCR扩增成功率
PCR amplification
success rate (%)
测序成功率
Sequencing
success rate (%)
SNPs位点数
No. of SNPs
插入或缺失碱基数
No. of indels
变异位点
No. and percentage
of variable sites
trnL ̄trnF 806 100 100 9 4 13 (1.61%)
trnM ̄trnV 756 100 100 12 4 16 (2.12%)
trnS ̄trnG 739 100 100 13 24 37 (5.01%)
ITS 598 100 100 6 19 25 (4.18%)
ITS片段ꎬ 共 25个变异位点(6个 SNPsꎬ 19个 in ̄
dels)ꎬ 变异率为 4􀆰 48%ꎮ
2􀆰 2  4个 DNA片段的物种分辨率
采用 PWG ̄distance 和 Tree ̄Building 两种方
法比较了单个基因片段及其不同组合对地黄属植物
5个物种的鉴别率ꎮ 由图 1 可见ꎬ 3 个叶绿体片段
trnS ̄trnG、 trnL ̄trnF、 trnM ̄trnV 的分辨率分别为
0%、 20%、 20%ꎻ 核基因 ITS 片段的分辨率为
20%ꎻ 在叶绿体 DNA 片段的不同组合分析中ꎬ 无
论是 2个还是 3个片段组合对地黄属 5个物种的分
辨率都为 20%ꎬ 即与单个 DNA片段的分辨能力相
当ꎮ 而在核基因 ITS 片段和叶绿体 DNA 片段组合
的分析中ꎬ 物种的分辨率明显高于单个或多个叶绿
体 DNA 片段组合ꎬ 如 trnL ̄trnF +ITS、 trnL ̄trnF +
trnM ̄trnV+ITS 的物种分辨率为 60%ꎻ 组合 trnS ̄
trnG+ITS 的物种分辨率高达 100%ꎬ 可将地黄属
5个物种完全区分开ꎮ
0
20
40
60
80
100
L M S I LM LS MS LMS LI MI SI LMI LSI MSI LMSI
-Tree Building
-PWG distance
!
"
#
$
%
(
)
%
Sp
ec
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s
di
sc
rim
in
at
io
n
ra
te
& ()*+,-./DNA
Single- and multi-DNA regions
Lꎬ trnL ̄trnFꎻ Mꎬ trnM ̄trnVꎻ Sꎬ trnS ̄trnGꎻ Iꎬ ITSꎻ LMꎬ
trnL ̄trnF + trnM ̄trnVꎻ LSꎬ trnL ̄trnF + trnS ̄trnGꎻ MSꎬ trnM ̄
trnV + trnS ̄trnGꎻ LMSꎬ trnL ̄trnF + trnM ̄trnV + trnS ̄trnGꎻ LIꎬ
trnL ̄trnF + ITSꎻ MIꎬ trnM ̄trnV + ITSꎻ SIꎬ trnS ̄trnG + ITSꎻ
LMIꎬ trnL ̄trnF + trnM ̄trnV + ITSꎻ LSIꎬ trnL ̄trnF + trnS ̄trnG +
ITSꎻ MSIꎬ trnM ̄trnV+trnS ̄trnG+ITSꎻ LMSIꎬ trnL ̄trnF+trnM ̄
trnV+trnS ̄trnG+ITS.
图 1  单个 DNA片段及其不同组合对地黄
属 5个物种的分辨率
Fig􀆰 1  Species discrimination rate of all tested
single ̄ and multi ̄DNA regions in Rehmannia
82 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
3  讨论
3􀆰 1  单个叶绿体 DNA片段及核基因 DNA 片段对
地黄属物种的鉴别率较低
一般而言ꎬ 叶绿体基因组进化速率较慢ꎬ 使用
其基因片段鉴定植物类群存在上限[26]ꎬ 在两两组
合的基础上增加片段组合(如 2 个或 3 个叶绿体
DNA片段组合)都不能进一步提高物种分辨率ꎮ 本
研究结果也显示单个叶绿体 DNA 片段及其不同组
合对地黄属物种的分辨率较低(0%~20%)ꎬ 其中
3个叶绿体 DNA 片段组合( trnL ̄trnF+trnM ̄trnV+
trnS ̄trnG)的最高分辨率也仅有 20%(图 1)ꎮ 叶绿
体 DNA条形码对地黄属物种鉴别率较低的原因可
能是: 首先ꎬ 地黄属近缘种之间可能存在杂交渐
渗[4]ꎬ 导致单个或少量叶绿体 DNA 条形码片段组
合难以分辨ꎮ 闰坤等认为地黄(R. glutinosa)和茄
叶地黄(R. solanifolia)是杂交多倍体[1]ꎬ 裂叶地黄
(R. piasezkii)和湖北地黄(R. henryi)的杂交可能
参与地黄(R. glutinosa)与茄叶地黄(R. solanifo ̄
lia)的物种形成[27]ꎬ 从而使地黄属各物种之间的
DNA变异界限模糊ꎮ 本实验 3个叶绿体 DNA片段
组合的 NJ 系统发育树也显示 (图 2)ꎬ 地黄 (R.
glutinosa)、 裂叶地黄 (R. piasezkii)、 湖北地黄
(R. henryi)及茄叶地黄(R. solanifolia)在系统树中
始终形成平行支ꎬ 使物种之间难以明确分辨ꎮ 其
次ꎬ 地黄属植物经历了快速成种[4]ꎬ 导致种间在
短时间内没有积累足够的遗传变异ꎬ 物种之间难以
分辨ꎬ 如地黄(R. glutinosa)和茄叶地黄(R. solani ̄
folia)ꎮ 刘占林等采用叶绿体基因 ( rbcL、 rps2、
rps16、 trnL ̄trnF)单独分析及与核基因 ITS 片段联
合分析构建的地黄属植物系统发育关系表明ꎬ 茄叶
地黄始终被包含在地黄类群内ꎬ 与地黄共同形成一
组[27]ꎮ 本研究也发现ꎬ 茄叶地黄(R. solanifolia)
与地黄(R. glutinosa)的花形态很接近ꎬ 在形态性
状上的差别仅体现在叶与花的表型上ꎬ 前者是卵形
叶、 花生叶腋ꎬ 后者是长椭圆形叶、 总状花序ꎻ 二
者都是多倍体ꎬ 且其分布区重叠ꎬ 类群间的分化时
间很短[1]ꎬ 种间遗传差异非常小ꎬ 在进化树上难
以形成单系(图 2)ꎮ
核基因 ITS具有较快的突变速率ꎬ 能够提供更
加丰富的遗传信息ꎬ 被认为是陆地被子植物的核心
条形码[14]ꎮ 但本研究采用核基因 ITS 片段对地黄
属 5个物种的分辨率仅有 20%(图 3)ꎬ 即除能成
功鉴定裂叶地黄(R. piasezkii)外ꎬ 其余 4 个物种
都不能被成功分辨ꎮ 这也许是地黄属物种划分可能
存在不合理之处ꎬ 或是由于这些物种不完全的谱系
筛选导致保留了大量祖先多态性和较低水平的种间
分化[28]ꎮ
综上分析ꎬ 地黄属植物存在较复杂的地理遗传
结构ꎬ 单独使用叶绿体 DNA 片段或核基因 ITS 片
段对该属植物进行鉴定均存在一定的困难ꎮ
3􀆰 2  叶绿体 DNA片段和核基因 DNA 片段组合能
够提高地黄属物种的鉴别率
核基因和叶绿体基因具有不同的遗传模式ꎬ 即
核基因是双亲遗传ꎬ 而叶绿体基因为单亲遗传模
式ꎬ 因此在研究分析中依据这两种不同的遗传方
式ꎬ 我们可以追踪到植物不同的进化历史ꎬ 也可加
深对植物进化过程的了解ꎮ 目前选择多种基因片段
组合ꎬ 尤其是不同遗传背景来源的基因片段组合构
建系统发育矩阵也是进行 DNA 条形码鉴定尝试较
多的方法之一[29ꎬ30]ꎮ
对于地黄属植物而言ꎬ 仅依靠单个或数个叶绿
体 DNA条形码片段或核基因 ITS 片段是很难明确
鉴别的ꎬ 如闰坤等[1]和 Albach 等[4]基于核基因
ITS片段和叶绿体 DNA 片段的分析结果表明ꎬ 地
黄属物种能够聚为一个单系分支且具有较高的支持
率ꎻ 其中ꎬ 地黄和茄叶地黄的亲缘关系较近ꎬ 但属
内其它物种间的分类地位没有得到很好的支持ꎮ 故
我们将核基因 ITS 片段和叶绿体 DNA 片段组合分
析试图提高对该属物种的鉴别率ꎬ 结果显示任何一
个或多个叶绿体 DNA 片段与核基因 ITS 片段的组
合分析都提高了对地黄属物种的鉴别率(图 1)ꎬ 这
与前人对桤木(Alnus cremastogyne Burk.) [31]和
槽舌兰(Holcoglossum quasipinifolium) [32]DNA条
形码的研究结果一致ꎻ 单个叶绿体 DNA 片段与核
基因 ITS 片段的组合中ꎬ trnS ̄trnG+ITS 的物种分
辨能力最好(100%)ꎬ 可将 5 个物种完全区分(图
1ꎬ 图 4)ꎻ 由于单片段组合 trnS ̄trnG+ITS 具有与
三条码组合( trnL ̄trnF +trnM ̄trnV +trnS ̄trnG)、 四
条码组合( trnL ̄trnF+trnM ̄trnV+trnS ̄trnG+ITS)相
同的物种鉴别率ꎬ 本研究推荐将 DNA 片段组合
trnS ̄trnG+ITS作为地黄属植物鉴定的标准条形码ꎮ
92  第 1期                            程芳婷等: 地黄属植物的 DNA条形码研究
R. glutinosa (DT, 3 individuals)
R. glutinosa (DT, 1 individual)
R. glutinosa (TA, 1 individual)
R. glutinosa (TA, 2 individuals)
R. glutinosa (TA, 1 individual)
R. glutinosa (AK, 5 individuals)
R. glutinosa (DT, 1 individual)
R. glutinosa (CC, 5 individuals)
R. glutinosa (CZ, 5 individuals)
R. glutinosa (TA, 1 individual)
R. piasezkii (HL, 4 individuals)
R. piasezkii (HL, 1 individual)
R. piasezkii (BK, 3 individuals)
R. piasezkii (ZS, 1 individual)
R. piasezkii (ZS, 3 individuals)
R. piasezkii (ZS, 1 individual)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. solanifolia (CK, 10 individuals)
R. henryi (YC, 4 individuals)
R. henryi (YC, 5 individuals)
R. henryi (YC, 1 individuals)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 2 individuals)
R. chingii (TX, 2 individuals)
R. chingii (TX, 1 individual)
R. chingii (TX, 2 individuals)
R. chingii (AH, 1 individual)
R. chingii (AH, 3 individuals)
R. chingii (AH, 1 individual)
65
61
9995
70
78
50
100
99
72
64
69
71
54
72
61
68
81
括号中的大写字母表示地黄属植物居群名称缩写ꎬ 即: DTꎬ 山西大同ꎻ TAꎬ 山东泰安ꎻ AKꎬ 四川隘口ꎻ CCꎬ 甘肃崇信ꎻ CZꎬ 山西长治ꎻ
HLꎬ 陕西后柳ꎻ BKꎬ 湖北保康ꎻ ZSꎬ 湖北竹山ꎻ CKꎬ 重庆城口ꎻ YCꎬ 湖北宜昌ꎻ LS浙江丽水ꎻ TXꎬ 安徽棠溪ꎻ AHꎬ 安徽绩溪ꎮ 下同ꎮ
Capital letters in parentheses indicate population name abbreviation of Rehmannia. DT: Datongꎬ Shanxiꎻ TA: Taianꎬ Shandongꎻ AK:
Aikouꎬ Sichuanꎻ CC: Chongxinꎬ Gansuꎻ CZ: Changzhiꎬ Shanxiꎻ HL: Houliuꎬ Shanxiꎻ BK: Baokangꎬ Hubeiꎻ ZS: Zhushanꎬ Hubeiꎻ CK:
Chengkouꎬ Chongqingꎻ YC: Yichangꎬ Hubeiꎻ LS: Lishuiꎬ Zhejiangꎻ TX: Tangxiꎬ Anhuiꎻ AH: Jixiꎬ Anhui. Same below.
图 2  基于 3个叶绿体 DNA片段组合构建的地黄属植物 NJ系统发育树
Fig􀆰 2  Neighbor ̄joining phylogenetic tree of Rehmannia based on the combination of all three chloroplast DNA regions
99
68
99
92 56
58
57
R. chingii (AH, 3 individuals)
R. chingii (YC, 10 individuals)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 4 individuals)
R. glutinosa (all individuals)
R. solanifolia (CK, 10 individuals)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. piasezkii (HL, 2 individuals)
R. piasezkii (HL/ZS/BK, 8 individuals)
R. piasezkii (HL, 2 individuals)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. piasezkii (BK, 2 individuals)
图 3  基于核基因 ITS片段构建的地黄属植物 NJ系统发育树
Fig􀆰 3  Neighbor ̄joining phylogenetic tree of Rehmannia based on the internal transcribed spacer region
03 植 物 科 学 学 报 第 33卷 
R. glutinosa (DT, 3 individuals)
R. glutinosa (DT, 1 individual)
R. glutinosa (TA, 1 individual)
R. glutinosa (TA, 2 individuals)
R. glutinosa (TA, 1 individual)
R. glutinosa (AK, 5 individuals)
R. glutinosa (CZ, 4 individuals)
R. glutinosa (CZ, 6 individuals)
R. glutinosa (DT, 1 individual)
R. glutinosa (TA, 1 individual)
R. solanifolia (CK, 5 individuals)
R. solanifolia (CK, 5 individuals)
R. piasezkii (HL, 2 individuals)
R. piasezkii (HL, 1 individual)
R. piasezkii (HL, 2 individuals)
R. piasezkii (BK, 2 individuals)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. piasezkii (BK, 1 individual)
R. piasezkii (ZS, 1 individual)
R. piasezkii (ZS, 3 individuals)
R. piasezkii (ZS, 1 individual)
R. henryi (YC, 4 individuals)
R. henryi (YC, 2 individuals)
R. henryi (YC, 4 individuals)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (LS, 1 individual)
R. chingii (TX, 1 individual)
R. chingii (TX, 2 individuals)
R. chingii (TX, 2 individuals)
R. chingii (AH, 1 individual)
R. chingii (AH, 1 individual)
R. chingii (AH, 1 individual)
R. chingii (AH, 1 individual)
62
61
56
57
96
73
65
91
96
52
83
86
99
99
99
60
96
73
86
61
65
81
72
图 4  基于 3个叶绿体 DNA片段和核基因 ITS片段组合构建的地黄属植物 NJ系统发育树
Fig􀆰 4  Neighbor ̄joining phylogenetic tree of Rehmannia based on the
combination of all three chloroplast regions and nrDNA ITS
因此ꎬ 在利用 DNA变异鉴别植物物种的研究分析
中ꎬ 若叶绿体 DNA条形码片段不起作用或鉴别率
较低时ꎬ 可采用这种叶绿体 DNA 条形码片段和核
基因 DNA片段组合的方法来鉴别一些属内的近缘
物种ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
23 植 物 科 学 学 报 第 33卷