全 文 ：第 卷 策 期
年 月
武 汉 植 柳 学 研 究 二
。
酶电泳资料和系统
与进化植物学研究综述
葛 颂
中国科学院 植物研究所系统与进化植物学开放研究实验主 北京 。。。
乙 石 ￡ , 乙 陀 二 “ ,
人 , 挽
之 ” , 亡 “ 摊
云娇诬摊
关扭调 同工酶 , 电泳 , 植物系统学 , 进化
, , , ,
系统与进化植物学是建立在植物学各分支学科基础上 , 以研究植物的系统发育和进
化为内容 的一 门综合性学科 。 由于这种综合性 , 植物学各分支学科的发展都会对系统与进
化植物学研究产生重要的影响 。酶电泳技术是本世纪 年代末才兴起的一 门应用技术 , 是
生物化学和分子生物学不断发展的产物 。 虽然直到 年代 , 酶 电泳技术才开始应用于植物
系统和进化研究 , 但其重要性 已受到广泛 的关注 , 并成为 目前系统与进化植物学研究的一
项重要手段 〔’一 ” 。 本文从酶电泳技术的基本原理出发 , 着重介绍和评述酶电泳资料 的获
取和分析处理及其在系统与进化植物学研究中的应用 , 旨在推动国 内这方面工作 的开展 。
醉电泳资料的来派
。 酶 电泳技 术的 基本 原理
电泳技术是根据带电粒子在 电场下泳动 迁移 的方向和速度不同 , 从而达到分离
被测 物质的一种技术 。 目前应用最广泛的是凝胶 电泳技术 , 即以凝胶 主要是聚丙烯酞
胺凝胶和淀粉凝胶 作为电泳的支持物 介质 。 当带有特定净电荷 、 分子大小和构型
的生物大分子置于 电场中时 , 会 由于迁移的方 向和速度不同而被分离开来 , 经过特定 的
染色处理 , 在凝胶上显出清 晰可 见的带纹 。 年 , 酶活性染色法的出现 ‘ ’, 为进一步
本文于 年 月 日收到 , 同年 月 日收到修改稿
在成文过程中得到导师洪德元教投的热情鼓励和支持 , 完稿后再蒙洪德元教授 、 王 中仁副教授审阅 , 深表谢
意
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
分析酶蛋 白提供 了很大的便利 , 从而产生了一种分析特定酶系统 的酶电泳技术〔 , ’。
当我们将生物组织 的提取液进行 电泳并用特异性底物进行酶活性染色后 , 可在凝胶
上看到共有一定数 目 、 位置和密度的一组带纹 , 即酶谱 或谱带 。
许 多酶在 电泳凝胶上
一
可以出现迁移率不等的多条谱带 , 说明这种酶具有不 同 的 分 子 形
式 。
‘
已们可 以调节不同细胞部位 、 不同代谢途径 , 以及不同发育杀件下的同类 反 应 〔‘ ” ’
这些催化反应相 同而分子结构有差异的酶分子被 “ 等 称为同工酶 。
〔 ’ 」。 例如 , 研究最清楚的动物乳酸脱氢酶 , 在 电泳凝胶上可 以出现
条谱带 , 代表 种 活性分子 , 因此我们将其称为乳酸脱氢酶同工酶 。 后来发现 ,
许多酶存在 同工酶 , 是由于构成该酶的多肤 亚单位 受某一基 因位点上不同 等 位 基
因 的编码所致 。 为 了特指起见 , 等 将这种特殊的同工酶称为 等 位 酶
〔‘ ’。 例如 , 某种酶是个二聚体 由 条多肤构成 , 如果构成该酶的 条
多肤分别受同一位点上 个不同等位基 因 和 ‘ 编码 , 那 么当被测 的个体是杂合体
‘ 时 , 该酶就会显示出 条谱带 即 、 产和 ‘ ‘ ” , 它们就 构成 了一组等位
酶 。 为了应用上 的方便 , 有人把同工酶的定义狭义化 , 专指 由 个以上基 因位点编码所
形成 的酶多分子形式 , 以区别于等位酶〔‘ ” ’。 因此 , 当催化同一反应 的酶具有不同的分
子形式 时 , 那么如果构成该酶的多肤是由 个以上基因位点 每个位点还可能有多个等
位基因 编码 , 就将这些酶分子称为同工酶 , 而如果构成该酶的多肤 , 是由单个位点上
不同等位基 因编码 , 就将这些酶分子称为等位酶 。 严格地 说来 , 只 要酶的多分子形式是
由遗传成 因造成 的 , 就可称为同工酶〔‘ ’。 从这个意义上讲 , 等位酶只是一种特殊 由
个基 因位点编码 的同工酶 。
酶是基 因的产 物 , 是基 因表达 的结果 。 酶蛋 白多肤链结构中的氨基酸排列顺序 , 是
由 上结构基 因所携带的遗传信息决定的 。 因此 , 根据酶电泳谱带的分析 , 就能识别
控制这些谱带表达 的基 因 , 在 分子水平上研究生物体 。 这就是酶 电泳技术的基本原
理 。 由于这种技术的应用依赖于酶多分子形式 同工酶 的存在 , 所 以又称为同工酶分
析技术‘ , ‘ 〕。
。 遗传 分析的重要 性
虽然凝胶上 的酶谱含有重要的生物学信息 , 许 多问题仅凭酶带的数 目和迁移率就能
解决 〔吕 一 ” ’。 但酶带这种 电泳表型既有它 的遗传背景 , 也 会受生理 发育阶段和组织部
位 、 人为 实验条件和取 样 误 差 等因素的影响 , 并不能直接反映 水平的情
况 〔 , “ , ” ’。 所 以 , 要想通过酶谱表型获取基 因水平的信息 , 必须 进行特定 的遗传分析 。
这是酶 电泳技术的一个不可缺少 的步骤 。
目前经常侧定 的酶系统 , 保守地估计也有 种之 多〔‘ ” 。 有些酶系统 如过氧化物
酶 、 醋酶等 , 单株植物体就能显示出多达 条或更多的谱带 。 原 因就在于凝胶上的酶
谱是受多种 因素影响的 , 有人为造成 的假带 、 生理因素引起的 转译后 谱带和遗传控
制 的同工酶谱带 。 即便同工酶 , 其谱带型式也会因构成该酶多肤数 目 单聚体还是多聚
体 、 编码基 因位点数 目 单位点还是多位点 以及个体的基因组成 杂合体还是纯合
英文大写字母表示等位基囚 , 小写字母表示山相应等位基因密码的多肤 。
第 期 葛颂 酶电泳资料和系统与进化植物学研究综述
体 而有很大变化〔‘ , ”‘’〕。 酶带的数 目可 用下列公式来表示
一 尹一
尹 召 一 式中
,
酶带数 目 全部多肤 亚单位 的种类 , , 构成该酶的多肤数 目。 为此可 用最简
单 的情况来说明 , 即某种酶是个单聚体 尹 , 受单位点上 个等位基 因 和 ‘ , 二
编码 , 则凝胶上的谱带有 条 ‘ , 纯合体只显示其中 条等位酶带 要 么
是 , 要么是盯 , 而 杂合体将同时显示 条等位酶带 和 ‘ 。 如果复杂一点 , 该酶
是个二聚体 夕二 , 编码基因仍为单位点上的 和 ‘ 二 , 则谱带就有 条
沁 , 纯合体仍只显示 条等位酶带 要 么是 , 要 么是 ‘ ‘ , 而 杂合体将同
时显示出 条酶带 , ‘和 ‘ ‘
单位点二等位基因编码的阵谧
全沫
⋯ ⋯以此类推 表 。 从表 中还可 以看出 ,
随便取 个纯合体与 个杂 合 体 比
自熊 较 , 对单聚体来说 , 个个体只相差
。 条带 , 而对四 聚体来说 , 二者就可
相差 条带 纯合体 条 , 杂合体
基 因 型
纯 合 体
杂 合 体
纯 合 体
丫
单聚体 二聚体 三聚体 四 聚体
,
扭 扭 皿 少
扭 皿 尸
尸 尸 ,
, , , , 尸 , 一 , , ,
条 。 可见 , 在不 了解酶谱遗传基础
的前提下 , 就直接进行谱带 比较 , 很
容易得出一些不可靠的结论 〔’ 。 更何
况表 只是说明单位点二等位基 因的
情况 。 如果考虑的是多位点编码的同
工酶 , 再加上构成该酶亚基 多肤
数 目的增多 , 谱带型式就更 为 复 杂
了 〔“ ’‘ ” 。 所 以 , 对酶谱谱带进行遗传分析是正确和充分利用酶电泳资料的前提 , 在不 了
解酶谱遗传基础 的情况下 , 就把谱带与等位基 因等同起来 , 或简单地根据谱带的条数 、
迁移率及染色深浅来作为遗传 、 分类和进化研究的指标都是有缺陷的〔” ”” ’。
常规 的遗传分析方法就是进行杂
交试验 , 将具有不同酶谱表型的个体
杂交和 自交 , 观察这些酶谱在后 ,代中
的分离组合情况来决定这些酶谱的遗
传基础 。 这种分析方法是十分直截 了
当的 , 因为在 绝大多数情 况下 , 同工酶
谱带都是以共显性方式 遗传 简单的
孟德尔式分离 〔”‘ ’。 图 是单位点
上 个等位基 因编码 的等位酶 , 分别
为单聚体 、 二聚体和四 聚体 种不同
情况下杂交后 的分离组合情况 。 由图
可 见 , 如果 个纯合亲本杂交 , , 代
谱带数 目有多 少取决 于 该 酶 是几聚
体 , 而 代中 种谱带型式的个体均
, 本 门奋
阳 州卜目“ 居
多业口减
,户叩 司巨 日日 , 自匕
一下二一一一气二一二二二丁一一七已亡足单取体
厂
一 —一
,
, 曰曰 口 目曰
自
今妈
·二体
一口 口 口 口 目
⋯一
二 二
, 。 ,
一 一 才 恤恤
,
一
一
夕 港
俊夕 萝
留
卜
革因觅 认 , ’ , ’ ,
梦尸 ,
单位点 等位若因编码的等位蔺杂交 诊 自
了 一 巨 瓦 ,
。
会出现 , 且比例为 。 因此 , 根据后 代谱带的表现 , 就能推断该酶是几聚体
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
反过来知道某种酶系统是几聚体 , 也能相应推断出后代的谱带型式及比例 。 如果仍是单
聚体 , 但编码该酶的是 个独立 的位点 , 每个位点上均有 个等位基 因 和 产 , 和
‘ , 则 代的谱带型式就有 种 图 , 复杂多了 若只看其中 个位点 , 情况和
叔本 纯仑 , 脸妞成
, 难 、, 心 血 叭由幻
一 一 一 二 二 二
日
钱 因 且
陈
’
竹 , 日 ,
人 八
日 , 日 日 日,
八 ’ , , , 几 , , 人 , , ,
, 日 , 日 甘 日, , 日 日 ,习 ,
圈
。
两个位点目时琦口时的杂交 , 自
一 一 一 , ‘ 五 一 一 ,
一
图 中的 ①是一样的 。在实际
杂交测验中 , 如果将各种谱带
型式 的 个体均 进行杂 交或自
交 , 不难阐明酶谱 的遗 传基
础 ” ”‘ 〕。
除了上述的常规杂交试验
外 , 还有一些根据具体情况而
采用的较为简便的方法 , 如利
用单株个体 自由授粉子代的子
代测定 法〔“ ’“ ’, 以及针对裸子植物而采用的雌配子体测定法〔’‘ ’‘ ” 。
。 酶 电泳资抖的处理
当我们用电泳方法得到样品的酶谱并完成 了遗传分析之 后 , 只是获得 了可资利用的
酶电泳资料 , 还存在着如何正确 分 析 和处理这些资料的问题 。 由于等位酶谱带是由单
位点上不 同等位基 因编码 的 , 所以根据等位酶谱带的遗传分析确定出控制它们的位点及
等位基 因后 , 可进而计算出每种等位基 因在样本 居群或分类群 中的频率 。 这些频率
资料可进一步转换成各种参数值 , 应用于遗传 、 分类和进化研究 。 在系统学和进化研究
中常用的参数是遗传一致度 和遗传距离
二 一迄丛业 一
训习畔 习夕卜
式 中 和夕‘分别表示‘ 样本及夕样本中第‘个等位基因的频率 。 值又叫相似性指数 , 在
许 多研究中被转换成 值 。 其实二者 的意义是相同的 , 均表示样本间遗传相似性 趋异
的程度 。 如果两样本间的基 因频率在所有位点上都完全相同 , 那 么 , , 反
之 , 若两样本间没有一个相同的等位基 因 , 则 , 。 此外 , 还有许 多从等位
酶位点角度上衡量居群遗传变异和分化的常用指标 , 关于这些参数指标 的来源 、 含义和
计算方法可参阅有关的专评 〔“ ”吕 一 ”’, 因篇幅所限在此不再赘述 。
另一方面 , 样本中某种酶系统的同工酶数 目也是很重要的资料 。 我 们知道 , 进化的
一个主要动力是新基 因的产生 , 而新基 因 的产 生可 以通过基 因的重 复并随后改变 突变
来达到〔‘ ’。 基因的重复可以通过顺接重复 一个或几个基 因的 或多倍化 整个基因组
的 而达到 。 在二倍体植物中 , 一种酶的同工酶数 目是非常稳定 的 , 换句话说 , 控制特
定酶系统 的基 因位点数 目是相当恒定 的〔” ’。 因此 , 一旦发现了酶位点数 目增多 , 就可
能是二倍体植物中一个或几个基 因位点发生 了重复 , 或发生 了多倍化〔” 。 这个基因 位
点 重复是一种很稀有的独特事件 , 故具有相同重复的分 类群 可以 认为来 自一个共有祖
先 , 属于同一单系类群 〔川 ” ” , 这为分类群系统发 育关系的建 立提供 了重要的证据 。 因
此 , 同工酶 数 目 资料可 以提供许多等位酶资料无 法提供的重要信息 。
第 期 葛项 酶电泳资料和系统与进化植物学研究综述
在系统与进化植物学研究中的应用
酶电泳技术应用于生物居群研究的最早报道是在 年 , 以 等对果蝇天然
居群和 “ 对人类居群的研究为标志 〔” ” , ’。 在植物系统与进化研究中 , 最早采用酶
电泳技术的首推美国加州大学 分校 的 。 从 年代初开始 , 他进
行 了一系列富有创建性的工作 , 并大力倡导开展这方面 的研究 〔” ” ” ” ”’‘一 ’‘ ’, 使这门
技术在植物系统与进化研究中逐渐成熟和兴旺起来 〔川 〕。
遗传趋异和物种形成
遗传变异是进化的动力 , 而进化
过程中必然伴随着或大或小的遗传趋
异 , 这是物种形成 的第一步〔” 。 用
酶电泳技术研究遗传趋异 的最早报道
是对果蝇属 的研究 ,
表 是 的研究 结 果 。
从表中可以看出 , 随着分类等级 的提
高 , 遗传一致度下降 , 遗传距 离 趋
异 加大 。 他们依此在 。 切‘ , 落
复合种 中建立 了一个种系发生的系统
树 , 其结果和 以生殖 隔离 、 染 色体 、
形态和地理分布等特征为依据的研究
结果完全一致 〔 」。 此后 , 等人
又在别 的果蝇 、 无脊椎动物 、 鱼类 、
表 ‘ ,‘ 盆合种不同进化水平的
遗传一致度 和遗传距离
诬 ”
分类水平
地方居群 。。 士 。。 。 士 。。
亚 种 。 士 。 二 。 土 。 。
半 种 。。 士 。 土 。。
,
姊 妹 种 。 士 。 土
,
非姊妹种 ‘ 士 。。 , 土 。。‘
一
括号 内为标准差 ,
。 自
哺乳动物以及植物等类群进行 了类似的比较研究 , 都得出 了与 耐 复合种相
似的结果 , , 。
早在 年 , 就对植物中已作过等位酶报道的 个物种进行了总结〔’ , 发
现种 内居群间遗传一致度很高 , 平均值 二 。 虽然不同物种有差异 , 但除一例外
, 其余种 内居群 间的 值都大于 。 。 一 。 。 可是 对种 间的遗
传一致度值 明显下降 , 平均值为 一 ” 。 这说明遗传相似性 在 植 物
种 内居群间是 比较高而在种 间则比较低的 , 与前述果蝇等的结果基本一致 。
, 两次对此后数量倍增的报道进行总结分析 , 有趣的是所得结果与十几年
前 的结果没有什么不同 〔” ’ 。 根据迄今利 用等位酶来探讨种 内居群间 、
地理宗间 、 亚种 或变种 间 , 以及属内种间遗传趋异的大量报道 , 可以得出一个一般
规律 随着分类或进化水平的提高 , 分类群间的遗传一致度下降 , 遗传趋异加大 。
北美的慕属 , 沁 植物多为一年生草本 , 具有很大的表型可塑性 , 因
而分类学上的处理很不相同 , 被某些学者认为是同种 的个体 , 在 另一些学者看来却是不同
的种 。 等 了 在数量分类的基础上 , 应 用 个等位酶位点检验 了 个常 见
的二倍体种 ,
’
己们 两两之 间的遗传一致度值 从 。。 到 。 不等 , 其中 。
, 。 , , 岔。 艺 和 夕 ￡ 个种彼此之 间 值很高 , 分另为 、
和 , 明显高于一般的种间 值 其它的两 两种 间 值均不到 。。 , 这 个种正是数
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
量分类结果认 为应该归并的种 , 等位酶资料有力地支持 了数量分类的结果 。 最后他们结
合形态学 、 类黄酮和种子蛋 白资料 , 将这 个种降为种 内亚种 的等级‘” 。 辣椒属
尹 中的等位酶工作为解决该属栽培种 的起源和分类提供 了很 有价值 的证据 。 在
辣椒属中有 个栽培类群和 个以上的野生种 , 一种观点根据该属染色体有 和 二
两种 , 认为有 条进化路线 , 另一种观点认为 个栽培类群分另来 自 个不 同的祖种 ,
还有一种观点则认为有 条独立的进化路线 产生 个栽培类群 。 “ ” 等 采用
种酶系统 的 个位点 , 分析 了包括 个栽培类群及其
一
可能祖种共 个分类群 。 结果酶
电泳的证据和形态学及杂交试验的结果一致 , 该属有 个明显不同的复合群 个紫花
群和 个白花群 , 并推断 了 个栽培种 的祖先 〔’ , 。 类 似用等位酶资料来解决属 内 种间
关系和复合体问题 的报道还很多〔” ” ”川 ”。
然而 , 在 许多报道中出现了种 内居群或分类群间遗传一致度很低 , 或种 间遗传一致
度过高的情况 〔‘ 一 ” ” ’。 现在 已经清楚 , 由于植物是一个复杂的居群系统 〔” ” ” , 这个系
统任何水平上的遗传趋异或分化都和许 多因素有关 , 如交配系统 、 繁殖方式 、 生 活 型
等 〔’ 〕。 而且 , 在植物的物种形成过程中 , 并不总是伴随着酶位点水平上的趋异 。 某些
类群种 间的遗传趋异 , 不一定大于另一些类群种 内居群间的遗传趋异 , 反之 , 在居群间
出现较大的酶位点趋异 , 也并不意味着新种形成‘” ’ ’。 前述物种形成过程与等位酶位点
上 的趋异相平行 , 所体现的往往是一种地理式 物种起源模式 〔” ’。 在地理式物种形成过
程中 , 分类群间的趋异随时间 、 空间的延续和发展而逐渐加大 , 并伴随着生殖隔离机制
的逐步建立 。 而在量子式 “ 物种形成过程中 , 不管形态 、 生理生态 或繁育系
统上是否发生 了差异 , 等位酶水平上的趋异可以很小〔’ 。 祖先种 一 衍生种种对
一 就属这种情况 〔”“ ” , ’。
祖先种 一 衍生种种对是研究物种形成过程的重要对象 。
‘
已们形态上相似 , 隔 离 机制
的建立 , 通常是靠一系列与染 色体重构 “ “ 有关的因素造成 的 。 这种 隔离
机制 的形成不仅快速而且彻底 , 常使衍生种所具有的大 多数 以 致 全部等位基 因都来自
祖先种 , 衍生种很少或根本没有新 的等位基因〔’‘ ’。 ” “ 和 “ 分析 了 例 分
布在 个不同的科属中 遗传一致度过高的情况 , 其值从 到 不等 。 分析表明 ,
它们都是祖先种 一 衍生种种对关系 , 而且衍生种都是近期从祖先种 中分化出来的 , 所以
遗传差异并不象以往所想象的那样大 〔” ’ ’。 由于染 色体重构导致完全 的生殖 隔 离 常发
生在一年生植物中 , 因而祖先种 一 衍生种种对现象在一年生植物中出现的最多〔’‘ ’。
种间遗传一致度很高的现象还出现在岛屿物种 间 。 但与祖先种 一 衍生种种对不同的
是 , 这类岛屿物种 常是多年生的 , 种间形态差异明显 , 而 且生殖隔高很小或不存在 。 导
致 两种情况下种间遗传相似性很高的共同原 因 , 在 于它们都是近期分化的〔” 。 菊科 。
名“ 。 。夕 属是仅分布在夏威夷 个种 和新几 内亚 个种 的灌木 、亚灌木 ,
夏威买群岛的 个种在生态 习性和形态性状上都有很大的分化和差异 , 但它们彼此之间
互交可 育 , 未出现生殖隔离 。 因此 “ ” 根据形态学 、 生态学 以 及 杂交试验
等的研究认为 , 夏威夹的该属植物是一个单系类群 , 很 叮能是从新几 内业 因某种机会迁
入个体 , 再通过适应性辐射而形成的 。 由于这一事件是近期 大 约在 万年前 发生 的 ,
因此即便生态要求和形态 上差异很大 , 其种间也 很难建立起有效的生殖隔离 机制 〔” 。
第 期 葛项 酶 电泳资料和系统与进化植物学研究综述
采用电泳技术从 个等位酶位点上进行 了验证 , 结果在
代表全部 个种 的 个居群间 , 两两遗传一致度值均大于 。 , 相当于一般种 内居群间
的遗传一致度值 , 进一步证实了 的推论 〔” 。 类似上述适应性辐射的情况在 内陆
物种形成中也时常出现 , 同样会产生种间很高的遗传一致度值 〔” 。 由此可 见 , 正是由于
等位酶上的趋异并不总是与物种形成过程相平行 , 才体现了它特有的作用 , 即探讨 物种
形成的机制 。 正如 “ “ 所说 ,’二 植物系统学家应该感到庆幸 , 因为如果
等位酶上 的趋异严格地与物种形成相联系 , 那么电泳资料也就仅仅是起到一种分类标记
的作用而 已 。 ⋯电泳资料可 以 用来探讨许多比严格地划分类群更有意义和更重 要 的 问
题 ” , 。
杂种和 多倍体 的起源
在植物中 , 天然杂交和多倍化都是一种很普遍 的现象 。 种 间杂种及其加倍后 的异源
多倍体 , 能在 自然选择的作用下 , 演化为新 的物种 。 同时 , 种间杂交伴随着杂交后代与
亲本的不断 回交 渗入杂交 , 又是基 因流 动 的重要原 因之一 〔” ”‘ 〕。 然而 , 杂交在加
速植物进化的同时 , 却给分类学带来了许多很难处理的类群 如 。。 , 。。 属等 〔’‘ ”‘ 。
正如 “ 。 所说 “ 凡是被称为困难的植物属 , 即本质上不易分类者 , 其困
难几乎主要是由种间杂交所造成的 ” 〔” ’。 所 以 , 对杂交及多倍化的研究 , 不仅有助于
探讨植物物种形成和进化机制 , 而且能为许 多分类学问题的解决提供重要的证据 。
通常 , 证实杂种或推断杂种亲本主要是依靠形态学 、 次生化合物 、 染 色体 、 地理分
布和实验杂交等手段 , 但这些手段都有各 自的局限性“ ”川 ‘ ’。 相比之下 , 酶电泳技术则
是一种很有用 的分析手段 。 对任何一个类群来说 , 要么含有某个等位基 因 , 要么不含有
这个等位基 因 , 不存在形态性状 中难以判断的中间性 〔” 。 因此 , 我们可以从每个等位酶
位点上来比较杂种和双亲所含的等位基 因 。 只要双亲在遗传上有一定 的趋异 , 也 即只要
双亲在某些位点上具有不同的等位基 因 把这样 的位点称为鉴别位点 , 我们就能对推
测 的亲子关系作出正确的判断 〔” ’‘ ’。 在虎耳草科中 , 曾经有过许多例属间杂交的报道 ,
后来又发现在该科 , ‘ ￡ ‘￡和 ‘ ‘ , 尹 的混合居群中
存在着许多中间形态类型的个体 , 根据形态推测 它们很可能是属间杂种 〔” ’。 “
, 对这 个种进行了酶电泳钡 定 , 在总共 种酶的 个位点上 , “
打 戒 和 “ 。尹“ 在 个位点上有不同 的等位基 因 , 而对中间 形 态 类 型
个体的测定表明 , 这些个体在这 个有鉴别作用 的位点上均出现 了 。 艺 沁 ￡和
对 。助洲 特有基 因的组合 , 从酶位点角度上提供 了属间杂种 的证据 〔” ’。 类似
推断属间及种间杂种 的例子还有很 多〔’川 ‘ ”吕 ” ” 。 另一方面 , 否定杂种推断 的例 子也不
少 。 脂松 尸 。 。 、 ￡, 。 。 是北美重 要的用材树种 , 多年来把它同松属的许 多其它
种杂交 , 以 期获得 优 良的杂种 。 在迄今已尝试过的不下 种组合中 , 只有几例得到少量
杂种个体的报道 〔‘ 。 。 等 。 利用酶电泳技术来 验证其中描述最详尽的一个
杂交组合 欧 洲黑松 尸 , ‘ 脂松 。 结果发现 , 父本的 种等位基 因中 , 有
种在脂松中根本不存在 。 结合其它证据 , 等认为这些杂种 的父本并不是脂松而是
其它松树 。 杂种 的形成是其它松树花粉对欧洲黑松的 “ 污染 ” 。 据此 , 他们对其它脂松
杂种 的报道提出了质疑 〔‘。’。 最近 , 也用 类似的酶电泳 手段否定 了
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
认为 石 夕。 是 。 , 公滋和 艺杂种 的推
狈 ’ 。
同样原理 , 酶电泳技术在 鉴定多倍体 的起源上也很有价值 。 我们知道 , 从理论上 多
倍体可以分成同源多倍体和异源多倍体两类 , 但实际上这两类多倍体在 自然界中的界线
并不总
,
是很清楚 〔” ” ’ 。 许多多倍体的起源 , 仅凭形态学或细胞学工作是很难确定 的 。
从酶电泳的角度上看 , 如果多倍体种是由某个二倍体祖先种加倍而形成的同源多倍体 ,
则在多倍体中检测 出来的等位基 因 , 应全部或绝大部分存在于二倍体祖先种中 , 除非多
倍化过程发生在很远古的时期 此时可能会有少量 因突变而产生 的 新 基 因 〔” ”’。 否
则 , 多倍体中出现了许多二倍体中不具备的等位基 因 , 则同源多倍体的推论就很值得怀
疑 , 而对异 源多倍体来说 , 其等位酶带应是两个原始祖种 的杂合 组合 。 但这种杂合
与二倍体杂种中的杂合谱带不一样 。 由于加倍 的缘故 , 异源多倍体中的酶谱杂合是一种
‘ 固定杂合性 , , 在后代中不会分离和重组 〔‘ ”’‘ ” 。
用酶电泳来验证有关四倍体种 即 。耐 。 。 川 。洲 铁角蔽属 起源 的两种假
说 。 一种假说认为该种是由 个二倍体种 。灯 扭 和 。。‘ 公 杂交 , 并伴随
着染色体加倍而形成 的 另一种假说认为 , 首 先是四倍体 。。、。。。 和二倍体
‘, , “ 杂 交 , 产生不育的三倍体 。封 , “ , “ , 随后 由三倍体一个未减数抱子发育
成配子体 , 再产生有活力的雄配子 , 并同 ‘。 。 回交从而形成四倍体 尹 。一
“ 。 由于第一种假说更简 明 , 发生 的机会更多 , 自然更具有吸引力 。 但来 自形态学方
面 的证据无法对两种假说做出选择 , 因此期望用酶电泳资料来提供更有力的 证 据 〔“ ’。
电泳分析 的结果表明 , 。。 , 。 , 。中所特有的等位基 因同样存在于四倍体 尹 。
升“ 中 , 而 川 。 扭 中所特有的等位基 因在 。 尹 。。。 中一个也 没有 。 同时还发
现 , 三倍体月 。。 , ￡和四倍体 川 。。“二具有相同的等位基 因 。 因此 , 四倍体
,
“ 。“ 的起源是符合第二种假说 的 , 与 。 , 扭二 无关 〔‘” 。 类似的研究报道还很
多〔” ” ’‘ ’一 川 。
基 因重 复与系统发 育关 系的 推断
通常 , 基于等位酶资料上的遗传一致度 , 在应用于亲缘关系较近的分类群间比较时
具有较大的说服力 , 而 当系统发育关系较远时 如属以 上分类群间的比较 , 酶 电泳资
料的一些局限就会暴 露出来 〔’ 。 此时 , 另一类酶 电泳资料的价值 就能体现出来 , 即同工
酶基 因位点数 目。 如前所述 , 和等位 酶 变 异不 同 , 同工酶位点数 目在植物进化过程中
高度保守 , 一旦出现位点数 目的增加必然意味着发生 了罕 有的基 因 位点 重复 , 可为
系统发育关系的建立提供证据 。 最有意义的重复是存在于一个属的一些种而不是全部种 ,
或者是一个科的某些属而不是全部属的情况 。 因为具 有重复基 因的分类群 , 共同构成 了
一 个 进 化的 衍生的 单系类群 , 这是划分单系类群或确定 进化方 向上毫不含糊的证
据 , 植物系统学中常用的形态 或其它性状是很难做到这一点的 〔” 。
在植物中首次报道同工酶位点重复的是 对 叶‘ , ￡
乙醇脱氢酶 的研究 〔“ 〕。 但对同工酶位点重复研究最透彻 的范例是柳叶菜科 卜
石 属中的磷酸葡糖异构酶 同工酶 〔’‘ 。 无沁属有 个种 , 大多数都是加利
福尼亚的特有种 。 。 利用大量形态学 、 染色体等资料 , 结合实
第 期 葛颂 酶 电泳资料和系统与进化植物学研究综述
验杂交证据对 叶沁 属进行 了非常出色的全面修订 , 将全属 种划分为 个组 〔“ ’,
其中 个组含有二倍体 , 系统发育关系见图 。 年代 , 及其同事利用 电泳技
〔
币 如 ,
二口时。 一
一
阶《 , ‘ ,
侧 汉月 , ,
图 口含有二倍体种的 个组的系统发 , 傲式 圈 , 一。
。 比 较 。 代表含有 位点重复的组 , 括 号内数字为配子染色体数目 按 ,
。 。 甩 , 掩
, , , ,
,
‘ 。 。 , , ‘
术从遗传和进化角度刘
一
该属进行 了深入 的研究 , 在 同工酶数 目上发现了很有意义的
现象 衅 属中一部分二倍体种象大多数 二倍体植物一样 , 具有两种 同工酶 ,
一种存在 于细胞液中 , 另一种存在于叶绿体中 分别受 个独立的核基 因位点编码 ,
可同时还有一部分二倍体种有 种 同工酶 在细胞液中出现了两种 。 进一步 的分
析表明 , 是编码细胞液 同工 酶的位 点发生 了重 复〔” 。 有趣的是 , 在被
认为高度特化的 个组 , 尸 , 护‘ ‘“ 和
, ‘” , 图中带星号者 中 , 全部种 除 尸 。川尹。 , 个种出现了基 因 “ 沉默 ”
外 都有 个编码细胞液 的位 点 即发生 了重 复 , 而在其余 个形态 上原始的组
己 ￡ , 斤无。岔 无 和 今 , 中 , 所有种均只有一个编码细胞液 的位
点 见 图 。 由于在 的系统树图中 , 个进化组是分别放
在不同进化枝 的末端 , 这就意味着 位点重 复发生了 多次 , 而从基 因重复的机制 上看
这是不 可能的 。 据此 , 等认为这 个二倍体组的系统发育关系应是二歧分支式
的 , 即 个具有 位点重 复的组应属同一个单系类群 〔” ’。 。 采用 了这一
观点对 叶 属的进化模式进行了修订 图 , 修订后 的系统发育关系更具有说服
力 〔” ’。 报道 , 在北美 , 尹 属 内的几个特化组中 , 也 发现了质体
同工酶 的重 复 , 而在 个最原始组中就没有出现这种重 复〔” 。 虽然迄今进行深入研
究的类群还很有限 , 但已在许 多植物类群中发现了基 因位点 的重 复〔“ ” ’ 。
被子植物原始的染 色体基数是一个颇有争议 的问题 , 一般认为这一基数变动于 “
一 之间 〔 ”‘ ’〕。 但是 , 许多被认为最原始的被子植物科 , 都具有较高的染色体数 目〔‘” 。
因此 , 一种观点认为被 子植物的原始染 色体基数在 工 二 一 之 间 , 较低的染色体基数
是通过非整倍性减少而形成 的 另一种观点则认为该基数是公 和 , 较高 的染 色体数
是通过古多倍化形成的 。 虽然后一种观点的支持者更多 , 但遗传学的证据似乎 并 不 充
分 〔‘吕 。 , 尝试采用酶电泳技术来探讨这一问题 〔‘ , 。 在此 , 首先
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
应明确的是 , 从遗传机制 上看 , 多倍化必然会增加每种酶系统 的位点数 目 , 而非整倍性
变化对酶位点数 目基本 上无影响〔‘’丁。 这样就可 以用酶位 点数 目来判断染色体数 目 变化
是多倍 化造成的还是非整倍性变化引起的 。 根据 个现 代著
名分类系统入选了具有较高染色体数 目 一 的 个科 , 其 中木兰亚纲 科 、
金缕梅亚纲 科 、 五娅果亚纲和蔷薇亚纲各 科 , 并取木兰亚纲中染色体数 目较低的
个原始木本科 , , , 进行对 比 。 结果从 种酶系统的 个等位酶位
点上发现 , 与典型 的二倍体类群相比 , 在全部除 “卯“ 。 以外的科 中
一 , 都有等位酶位点数 目的大幅度增加 , 而例外 的 。尹。 则显示
出类似二倍体类群的等位酶表型 。 因此 , 虽不能完全排除其它机制导致酶位点数 目增多
的可能 , 但最能合理解释实验结果 的还是古 多倍化现象 。 最后该文提出 , 二 或 二
很可能就是古多倍 化与非古多倍化类群的分界线自‘ ’。
另一有意义的例子是对菊科 对盯 族染色体基数及倍性的研究 。 巳知在该族 中
染色体数 目在 二 与 之 间 , 最常见的是 , 和 。 对这样的类群 , 通常根
据染 色体数 目来推断倍性的方法就无效 了 , 出现了染 色体基数多少的问题 。 一种假说提
出 二 是该族 的原始基数 , 较少 的数 目是来 自非 整倍性减少 另一种假说认为祖种基
数是 二 或 二 , 因此 的种是这两种类群间杂 交后 的异源多倍体 。 两种假说均
有各自的证据 〔” 〕。 利用 种酶系统来验证上述二种假说 , 结果 不管
染 色体数 目为多少的类群 , 其酶位点数 目都是相同的 , 完全 支持上述的第一 种 假 说
。。 族 的染 色体 二 类群代表着二倍体状况 , 其它染 色体基数 的类群很可能是该
类群染色体非整倍性减少 的结果‘’‘ ”‘ ’。 旅类植物染 色体多而小 , 同样遇到确定类群中
染色体基数和倍性 的问题 。 此时酶电泳技术就可 以发挥独特的作用 , 从已有的不少报道
中不难看出这一点 〔‘ ”。
醉电泳技术的前最及我们的对策
作为研究植物系统与进化的一门新兴技术 , 酶电泳具有许多传统表型性 状 如 形
态 、 解剖 、 胚胎和次生化合物等 所不具备的优点 , 它能排除环境条件的干扰 , 定量分
析分类群的变异和分化 , 而且不存在表型研究中常会遇到的先验加权 、 表型趋同 、 功能
相关等问题 〔‘ ” ’。 酶电泳技术所需的实验设备也很简单 , 材料来源 丰富 , 成本较低 , 分
析时间快和结果便于 比较等等 〔“ 。 限于篇幅 , 我们只是从几个主要方面 回顾 了酶电泳
技术在系统与进化植物学研究中的应用概况 。 实际上 , 它 的应用领域和实例远 不 止 这
些 , 对研究许多和系统与进化有关的问题 已是一项常规 的手段了 , 如探讨居群的遗传结
构 〔”’、 植物的交配系统 〔 ” 、 基 因的流动〔”’、 选择作用 〔 ”等 。 生物遗传多样性和物种
生物学研究 , 也 由于酶电泳技术的应用而更为活跃 〔’ ” ”‘ ” 。
年代中后期 , 分析技术开始大量应用于系统与进化植物学研究 , 一些酶电泳
无 法解决的问题也 迎刃而解 。 例如在前述 俨 ‘ 属系统发育关系重建中 提到的尸。
尹“ 组 中 , 只 有一个例外种 。 没有 位点重 复 。 当时推测 要 么这个种
从来就没有发生 位点重 复 , 因而是错放在 尸“ ‘尹 组中 , 要 么是这个种 的重复
位点在后来的进化中 “ 沉默 ” 突变 了 〔川 。 由于电泳资料无法做出回答而 使 这个问
题 一直悬而未决 。 直到 采用叶绿体 的限
第 期 葛颂 酶电泳资料和系统与进化植物学研究综述
制性片段分析 , 才证实该种确实应隶属尸 川尹。 ￡ 组 , 没有 重 复是由于 “ 沉默 ”
所致 〔’‘ ’。 自然 , 人们会提出一个问题 酶电泳技术会不会完全被 研究所取代 不可
否认 , 核糖体 、 叶绿体 的分析 技术 已经 比较成熟 , 并逐步应用于系
统与进化研究 〔” ” ’, 而且由于这些 特别是 。 的高度保守性 , 使它们在建立
系统发育关系上有着很大 的潜力 。 但相比之 下 , 在探讨居群变异 、 物种形成等微进化问
题上 , 研究不如 酶电泳技术有效 〔” , 况 且 研究本身也 有一定的局限 。 对此 , 不
妨引用 的一段话 “ ⋯ ⋯眼下就试 图做某种预测 是有风险的 。 但同工
酶似乎仍将在植物系统学中解决大量 的问题 , 因为 分析和酶电泳技术可 以提供相互
补充的重要资料 。 在某些情况下 也无法解决等位 酶所能够解决的问题 ” 〔’ 。
因此 , 酶电泳资料仍将具 有不可替代的作用 。首 先 , 基于等位酶位点样本上的相似性
比较 , 是解决种 内和种 间变异及物种形成 的有力工具 。 如果这类比较不仅仅是利用遗传
一致度值 , 而且还同时结合形态学 、 解剖学 、 细胞学和地理分布等经典资料 , 将会使生物
学家们更清楚地认识植物进化的过程 、 机制和进化的复杂性 〔” ’‘ , 有助于解决传统方法
所无法解决的许多难题 , 如杂交和多倍化及其进化意义 、 网状进化 、 岛屿物种 的起源和
分化等等 〔” ” 。’“ 一“ 。 其次 , 越来越多的研究更注重利用基 因对基 因的同源 比较和同工
酶位点数 目资料 。 这类同源基 因和同源位 点的比较研究 , 提供了一大批重要的生物学信
息 〔‘ ” , 。 第三 , 酶系统本身仍是有待探索的重要 课题 , 对有关酶的结构 、 亚细胞位 置 、
代谢途径 、 生理功能等方面的了解 , 都将有助电泳资料的正确解释和充分利用 〔‘’。 酶电
泳资料分析的方法学也是一个不可忽视 的方面 , 动物系统与进化研究领域 已远远地走在
前面 了〔 。, 。 因此还需要遗传 、 生理生化和数学等学科的学者通力合作 。 最后 , 值得强
调的是 , 酶电泳技术也 有其 自身的局限性川 。 在应用酶电泳资料的同时 , 我们决不能无
视传统分类所起的重要作用 , 更不能忽视其它学科所提供 的资料 。 如果不建立在传统分
类和植物学其它分支学科所提供资料 的基础 上 , 酶电泳资料也 会失去其应有 的 价 值 。
及其合作者们对 , 忌 属的全面而深入 的研究就是一个典范 。 正如
十几年前就提醒过大家 的 “ 分类学独一无二的特点就是它 的资料来源中 , 没有一个会
成为过 时的 ” , , , 。
如果说 , 在国际上酶电泳技术应用于植物系统与进化研究只不过是 近 年来才开
始并兴旺起来的 , 那么相比之下 , 国 内这方面 的工作基本上还是处于空 白状态 。 这一方
面 在于我 国 目前 的分类和系统学研究大 多仍处在摸清家底 、 完成生物编 目这一初期阶段
和实验条件 不 很 完 备 , 但同时也 与对这一新 的资料来源缺乏 了解 甚至误解 有很大
关系 。 年代以 来 , 国 内在生理 、 遗传 、 育种 和医学等理论和应用领域 , 广泛采用同工
酶电泳技术并取得 了一定成效 , 植物分类中也开始尝试这种新的技术〔 一 ” 。 但这些研
究都是利用一些遗传基础 复杂月极易受环境条件影响的酶类 如过氧化物酶 、 醋酶等 ,
而且尚未进行酶谱的遗传分析 , 其结果只能根据酶带的数 目 , 迁移率来计算某种 “ 谱带
距离 ” , 进行各种比较 分析和研究 。 这种方法虽然能提供一定的信息 , 但充其量不过是
增加了一种生理表型而 已 , 价值不大 。 就指出 ,’
· ·
⋯存在如 此之 多影
响电泳表现的因素意味着系统学家们必须放弃这样的做法 , 即将来 自不同分类群的电泳
资料直接进行比较 , 如简单地计数迁移率不 同的谱带数 目等 。 这种做法不仅 从生化角度
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
上看是有缺陷的 , 而且会丢弃电泳方法中同源性比较和基 因频率定量 分 析 的 许 多 优
点 ” 〔’ 。 更有甚者 , 许多研究报道在应用这些 复杂多变 的酶类时 , 既没有统一的取样方
法 、 一致的实验条件 , 也不对这些酶类进行任何生理 、 发育和遗传研究 , 就直接在不同
分类群间比较并作出分类处理或系统发育推断 。 与其说这种研究有助于分类学上复杂问
题 的澄清 , 毋 宁说会使 已不清楚 的分类和系统学问题更加混乱 。
因此 , 如 果我们要充分利用酶电泳资料来解决分类和系统学问题 , 就应 了解酶电泳
技术的基本原理 , 正确认识酶电泳资料的价值 , 并用科学的方法来分析和处理这些资料 。
当前 , 《 中国植物志 》的编撰 已近尾声 , 随之而来的将是更多专科专属研究工作的开展和
物种生物学研究的兴起 , 生物多样性的研究和保护也 已提到了议事 日程 。 所有这些 , 都
需要依靠更多学科所提供 的资料 , 需要各学科工作者 的参与和合作 。 这正是系统 与进化
植物学将成为 “ 无穷综合的学科 ” 之原因所在 。 毫无疑问 , 酶电泳资料将在其中发挥不
可替代的重要作用 。
参 考 文 献
五 , 。 , ,
, , 一 , 一 , ,
甲 , 一
了 功 , ,
了 , 盆 , , , , 一
“ ,
一
, 住 , 功
一 一 ‘
, 一 , 五。 功
一
,
一 一 一 一 一。 ,
一 , , 了 , , ‘ , 一
五 , 甲 , ,
执 亡, 一
杨 自湘 , 奚声坷 , 胡桃属十种植物的过氧化物同工酶分析 植物分类学报 , 一
胡志昂 杨属植物的同工过氧化物酶 植物分类学报 , 。 一
胡志昂 , 王洪新 , 阎龙飞 。 裸子植物的生化系统学 一 松科植物的过氧化物酶 植物分类学报 ,
魂 一
胡能书 , 万国贤 同工酶技术及其应用 长沙 湖南科学技术出版社 ,
, 诬 ” ,
一
熊全沫 同工酶 电泳数据的分析及其在种群遗传上的应用 遗传 , 一
,
, , , , , 了
“ 诬口 。功 , 之 , 一 ,
一 一 丫 拄 入 ￡ 人 拼 ,
一
葛颂 , 黄敏仁 , 许农 马尾松
、
和 同工酶的遗传方式和连锁关系 遗传学报 ,
一
, , 。 。 ”“ ” 一
一 。 ” 诬 , 一
葛颂 用同工酶定最分析林木群体变异和分化的方法 西南林学院学报 , “一
,
一 一 ‘ 名 一 一
一 , 一。 ‘ 二 ‘一 一 二
皿 一 , , 一 吕
臼曰孟︸一﹄舀‘,且‘孟占
第 期 葛颂 酶 电泳资料和系统与进化植物学研究综述
幻
山自‘叹﹃﹄比‘弓勺,
厅口臼‘,口
一 了 , 一 , 一 ” 七
亡, 一 一
吕 , ,
, 亡 亡 巴 日 , , 一 了 ,
, 下 , 甲 ,
一 。 ,
, 一 ,
, 一 一 卜了 弓 几 , 了“ ” , ,
一 ,
, 一 卜 ,
, 亡 奋 , 一
, ” 。 , 二 一 二 二, 吕 , 炭 , 一
, 丫 一 一
, “ 优
, “ ” , 一
了 了 九 九九 诬
七 , 一
卜 , 一 , 皿 兰 丫
人 砚 乡 ”诬“ 执 止 , 一
。 、 海吾德著 柯植芬译 植物分类学 北京 科学出版社 ,
, 了 二 卜 主 ” 盆
一 主 了, 一 ,
一
,
,
, 一 , 盖 优 “ 仇 ‘
,
。 , ￡ , 一
, 刀 七
” 仇 诬 口 ” 应 “ ￡ ” , 一
王 ‘ 一 份
,
, 二
。 ￡ 它, , 一
, 五 份 优衍 了 切诬了 优 诬
“ 乡 ￡ ￡, , 一
, 五 ,
” 云“ 衍 尹,“ 七 理, 一
了 了
” 亡 了 二 ‘ , 。。 一
, 一 份 下 ,
, 一 , 畜 ” ,
一
, ,
饥 亡, 一
, 了 可 盆 。 , , ” 。 ” ” 诬
。 , 优 , 一
, 亡 介诬 云 卜
, ￡, 一
了
” , 不“ 亡 ” 一
二 了
介 九 口 , 一
, 了 掩 ”诬七 ” 摊 ,
一
,
, 也 ‘ 二
, ,
亡 , 一
“
﹃﹄丹,‘。目口,仙
通
,
“
朽招
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
‘ 一 一 一 , 一 了 一
一 一
一
田 ‘ 。 。 一
砚 , 。 一
, , , , ,
。
, , , , , ,
了 一
, , 了 摊
了 执 犷, 了 一
, 一 刀 ,
, ,
。 。 , 刀 ,
, , , 王 一
, , 一 一
叮 扭 , , 一
‘ 了 , , 一 , 了 日
卜诬 七 , , “ 摊 , 一
口 一 爪 ,
, 矛 了 , ,
一
”。 , 扑 九
“ 亡 , 一
,
,
二 。 一 一
一
。一 五 , ‘ 了 五 “
￡ 界 ￡玄 合诬 , ￡ ” , , 峨一 。