全 文 ：武汉植物学研究 2000, 18 (4) : 339～ 343
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
植物多倍体起源与分子进化研究进展Ξ
王　超　张宗申　王建波ΞΞ
(武汉大学生命科学学院　武汉　430072)
AD VANCES ON STUD IES OF THE OR IGIN AND
MOL ECULAR EVOL UT ION OF POLY PLO ID PLANTS
W ang Chao　Zhang Zongshen　W ang J ianbo
(Colleg e of L if e S ciences,W uhan U niversity　W uhan　430072)
关键词　多倍体, 起源与进化, 系统发育
Key words　Po lyp lo id,O rigin and evo lu tion, Phylogeny
中图分类号: Q 349. 5　文献标识码: A 　文章编号: 10002470X (2000) 0420339205
杂交和多倍化是植物最重要的进化方式之一, 在自然界普遍存在着多倍体物种, 约 50% 的被子植
物和 80% 的蕨类植物进化历史上都曾经历过这种活动〔1, 2〕。在动物界, 随着大量分子生物学证据的积
累, 有关杂交2多倍化物种形成的报道也越来越多〔3〕。随着时间的流逝, 杂种与祖先种在遗传分化上的积
累越来越多, 这使得探讨多倍体物种起源及其进化成为一个极具挑战性的研究领域。早在二十世纪
二三十年代, 生物学家们就对植物多倍体进行了大量的研究〔4〕, 不过, 由于当时研究方法的限制, 他们只
能在外部形态、生化特性等方面对多倍体植物进行一些记录和观察; 直到六十年代, 随着实验技术的发
展, 各种染色体技术的建立, 人们对多倍体的研究也从形态学研究转为细胞学研究, 为探讨多倍体的起
源与进化积累了大量的资料〔5〕。八十年代以后, 随着细胞遗传学与分子生物学技术 (如原位杂交、RA PD、
A FL P、DNA 序列分析等) 的发展, 以及与生物统计学相结合而产生的分支分析方法 (cladist ic analysis)
在植物分子系统学中的应用, 使得植物系统与进化这一生物学中最古老的研究领域再次获得了新生。在
此基础上人们对植物杂交2多倍化这一现象进行了广泛而深入的研究〔6〕, 取得了一些令人鼓舞的进展。
如前所述, 过去研究分类和进化主要是依据生物体的形态, 并辅以生理特征来探讨生物间亲缘关系的远
近。现在, 反映不同生命活动中更为本质的核酸、蛋白质序列间的比较, 已被大量用于重建植物的系统发
育树〔7〕, 正是由于这些分子生物学技术在植物学系统与进化生物学中的广泛应用〔8〕, 植物学家已在多倍
体起源与进化方面取得一些令人注目的成就〔6〕, 笔者对近年来植物多倍体形成与进化的研究进展作一
简要的综述。ΞΞΞ 通讯联系人: jbw ang@w hu. edu. cn收稿日: 1999207225, 修回日: 1999211205。第一作者: 男, 1976 年生, 硕士, 从事植物系统与进化研究。国家自然科学基金资助项目 (39770056)。
1　研究方法的进展
随着分子生物技术的蓬勃发展, 研究多倍体的方法也越来越丰富。各种实验技术如 R FL P 分析、原
位杂交、RA PD、DNA 序列等都在植物多倍体研究中被大量采用且得到了一些有意义的结果〔9～ 12〕。但在
方法学上值得一提的是, 生物学与统计学相结合产生的分支分析在植物多倍体研究中的广泛应用。
目前, 分支分析已成为解决生物类群间系统发育关系最有力的方法之一〔13〕。但是, 如何用分支分析
方法来重建含有杂交和多倍化类群的系统发育关系却一直都未得到很好的解决, 因为从本质上说分支
分析的最基本原理是与杂交2多倍化物种形成时的网状进化模式相违背的。分支分析的前提就是分类群
随着时间不断地一分为二〔14〕。因此,M cD ade 等在多倍体如何影响分支分析结果这方面作了大量的研
究〔15～ 17〕。结果发现, 多倍体可能会提高同型性 (homop lasy)的水平, 从而降低系统树的分辩率。再加上现
有的运算程序都还不能很好地处理存在于某些多倍体核苷酸序列中的多态位点, 这同样会造成分支分
析结果的误差。可见, 无论是在理论上还是实际操作中, 直接用分支分析对多倍体物种的系统发育关系
进行重建是很困难的〔18〕。尽管如此, 人们在这方面也找到了一些行之有效的方法, 归结起来目前主要有
3 种。
第一种方法是先根据其它特征挑出异源多倍体物种, 再用分支分析方法仅对二倍体物种的系统发
育关系进行重建, 然后将多倍体加回到二倍体的系统发育关系树中去, 从而构建出多倍体物种的系统发
育关系〔19〕。这一方法巧妙地避免了多倍体网状进化与分支分析基本原理的冲突, 不足之处在于它必须
先根据其它性状确认出多倍体物种, 而这本身就是一个复杂的研究内容。同时, 它还必须要求杂种与祖
先种之间在某一性状上存在明显的过渡状态 ( in term ediacy) , 否则, 被挑出来的多倍体就很难加回到二
倍体的系统发育关系树中去。
第二种方法是根据多倍体在分支图中的表现行为特征来推断物种的杂交2多倍化起源。虽然这一方
法能用来探讨未知杂种2祖先种亲缘关系的多倍体进化情况, 但与第一种方法相似, 也要求杂种与祖先
种之间存在有性状上的过度态; 但与之不同的是, 它在分支分析时是将多倍体与二倍体混合起来同时进
行构树。因此, 在这种算法中杂种与祖先种之间的平行进化 (parallelism )、反祖进化 ( reversion)等因素引
起的同塑性指数也会增加, 进而影响分析结果〔20〕。
第三种方法归功于 cpDNA 序列在系统发育分析的应用。因为 cpDNA 与 nrDNA 在进化过程中遵
循不同的遗传规律, cpDNA 为母系遗传而 nrDNA 为双亲遗传, 所以在多倍体中两种DNA 可能携带有
不同祖先的信息。因此, 用这两种DNA 片段序列进行系统关系重建时, 同一物种在系统树中会有不同的
位置。根据这一现象, 人们在研究杂交多倍体时就可以通过比较不同的基因树来进行〔21〕。这一方法虽然
成功地避免了杂种与祖先种性状间因模糊而引起的误差, 但是却另有不足, 因为影响这种基因树间不一
致的因素有很多。分类群中除有杂交多倍体外, 还有诸如横向基因转移 ( la tera l gene transfer)、基因重
复ö缺失 (gene dup licat ionödelet ion)等均会造成这种不一致。因此, 用这种方法时必须先弄清这种基因树
间不一致到底是由杂交引起的还是由其他因素引起的〔18〕。
综上所述, 虽然分支分析方法在研究多倍体时存在一些困难, 但人们仍找到了一些可行的方法, 并
且应用这些方法, 在多倍体的起源、多倍体基因组的进化等方面进行了大量的研究。
2　多倍体起源的研究
异源多倍体的形成是由亲缘关系较近的两物种的配子体杂交后染色体加倍形成的。在理论上, 杂种
的细胞质应为母本细胞质, 而核染色体应是双亲染色体的总和。所以在研究多倍体物种起源时也主要是
从细胞质和核染色体这两方面进行的, 如今已取得了较大的成就。在细胞遗传学水平上, 常肋恒一郎〔22〕
就根据细胞质类型、核染色体组、叶绿体基因组和线粒体基因组等方面的比较研究了山羊草属
(A eg ilop s) 物种的核染色体组来源和细胞质的来源, 从而探讨了全部山羊草属物种间的系统发育关系,
043 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　第 18 卷　　
较为明确地弄清了该属多倍体物种的起源问题。尽管在分支分析中研究多倍体的起源会遇到如上所述
的诸多困难, 但随着各种分子证据的积累和计算机技术的发展, 用分子系统学的方法来研究多倍体起源
已有许多报道〔19, 23～ 25〕。目前已有 16 个杂交多倍化起源的实例用各自的分子标记研究过, 其中 8 个已得
到 了可靠的结论〔26〕, 它们是: H elian thus anom alus、H . d esertieola、H . p arad ox us (Compo sitae )、I ris
nelson iis ( Iridaceae)、P aeon ia spp. (Paeon iaceae)、P inus d ensa ta、T aeon ia em od i spp. 和 S tep haom eria
d ieg ensis。此外, 有些学者还将形态性状与分子性状联合起来分析探讨多倍体的起源问题, 如 A inouche
等〔24〕在研究雀麦属 (B rom us) 四倍体物种起源时就是先将所有分类群的 IT S 区序列进行分支分析,
然后将芒的形状和艹柔荑花序的长度两个形态性状加到分支图中来探讨的; Padgett 等〔27〕在研究杂种
N up har×R ubrod isca (N ymphaeaceae) 的起源时, 也是根据形态性状、花粉可育性性状和 RA PD 分析以
及DNA 序列等方面进行综合考虑的。幸运的是, 以上这两例各性状树间是一致的, 共同支持着相同的结
论。当然, 用形态性状和分子性状综合分析多倍体物种起源时也有出现性状树之间相互矛盾的情况。比
如:M o rrell 等〔26〕在研究G ilia ach illeif olia (Po lemoniaceae) 的起源时就发现, IT S 区序列的分支分析支
持该种的独立分化起源 ( indepenen t divergen t o rigins) , 而同工酶分析则支持该种的杂交起源 (hybrid
o rigins) , 且产生这种矛盾的原因是多方面的〔28〕。
3　多倍体基因组进化研究进展
曾彼此独立进化的基因组经杂交多倍化后同处于一个异源多倍体细胞核中, 祖先基因组间如何相
互作用、进化是一个非常重要而又异常活跃的研究领域。人们曾试图从两个角度来探讨上述问题, 一方
面是了解多倍体整个基因组的变化; 另一方面是研究某一些基因在多倍体形成前后的变化〔29〕。随着近
几年的分子生物学技术在植物系统与进化生物学中的广泛应用, 人们在多倍体基因组进化机制与进化
方向等方面取得了一些令人注目的成就。
3. 1　多倍体基因组进化机制的研究
多倍体基因组进化机制的重要方式之一就是同步进化 (concerted evo lu tion)。所谓同步进化是指个
体或种群内基因的重要单位之间发生随机而定向纯合 (homogen ization)的进化方式。植物多倍体通过这
种方式使得两种不同祖先基因组在杂种细胞核中仅表现出其中一个基因组的类型〔30〕。在多倍体植物
中, 关于同步进化的研究仅涉及到 nrDNA (包括 18S226S rDNA 和 5S rDNA ) , 且发现不同类群中同步
进化的程度存在较大差异〔31〕。基因组的同步进化主要是通过不等交换 (unequal cro ssing2over)和基因转
换 (gene conversion) 进行的; 不等交换的结果是一条染色体或染色单体上的一段序列发生复制, 而另一
条染色体上出现相应的缺失, 这一事件经常发生在分散分布的基因家族中, 特别是基因家族位于几个非
同源染色体上的情况下。W endel 等〔32〕认为棉属多倍体 18S226S rDNA 所发生的位点间同步进化就是由
于有丝分裂或减数分裂过程中, 位于不同染色体上的重复单元间的不等交换造成的。而基因转换既可发
生在分散分布的基因家族中, 也可发生在串联基因家族组成的基因家族内; 既可发生在一条染色体内,
也可发生在同源或非同源染色体之间。不过, 在植物多倍体中目前还未发现明显的基因转换现象。
此外,N agak i 等〔33〕在研究小麦族 (T rit iceae)小麦近缘物种A fa 基因家族序列进化时发现, 该基因家
族在多倍体中除了以不等交换的方式进行同步进化外, 还以滚环型扩增 ( ro lling circle type) 的形式进行
进化, 即一个或几个相邻的A fa 序列被切出后作为环状DNA 分子并进行滚环型复制, 然后再整合到整
个基因组中, 从而实现其基因组的进化。
与此同时, V o lko〔34〕用限制性内切酶和核 DNA 的 IGS ( in tergen ic spacers) 序列对异源四倍体
N icotiana tabacan 中 nrDNA 的重组ö丢失机制进行了探索。结果发现, 该物种在多倍化之后其 rDNA 的
进化可分为如下几步: ①核竞争 (nucleo lar dom inance) , 即杂交后共存于多倍体中的两亲本相互竞争, 结
果具较长 IGS 的N . tom en tosif orm is rDNA 控制了具较短 IGS 的N . sy lvestris rDNA 。②丢失与替代, 受
制于 N . tom en tosif orm is 的 N . sy lvestris rDNA 逐步丢失, 结构与功能受到抑 制, 最 后 被 N .
143　第 4 期　　　　　　　　　　　　　　王 超等: 植物多倍体起源与分子进化研究进展
tom en tosif orm is rDNA 以位点间转换和易位的方式替代。③ rDNA 重组。来自N . tem ontosif orm is 的
rDNA 在不同的区域进行DNA 小片段的复制与丢失, 从而推动该多倍体物种基因组的进化。
3. 2　多倍体植物基因组的进化方向
既然不同多倍体类群中基因组的进化有不同的进化机制, 那么, 在这些机制的推动下, 多倍体植物
基因组的进化方向又如何呢? 在基于 rDNA IT S 区序列的棉属系统树中, 4 个四倍体种与D 基因组二倍
体组成一个分支, 另一个四倍体种 G. m ustelim um 则与A 基因组二倍体种组成一个分支, 说明这 5 个多
倍体种都具有AADD 基因组, 同时还具有 4 个 rDNA 位点, 但它们的 IT S 区序列分别与D 或A 基因组
的 IT S 区发生了一致化, 即杂交后, 多倍体的基因组有可能发生了双向进化。另一方面, 在异源多倍体植
物中, 由于各种进化因子的影响, 也使得多倍体基因组在进化过程偏向某一亲本基因组, 即单向进化。如
V o lkov 等〔34〕对 N icotiana tabacum 的 IGS 序 列 分 析 发 现, 在 该 多 倍 体 中 基 因 组 是 在 向 N .
tom en tosif orm is 亲本进化; 在山羊草属中, 我们通过对该属含UU 基因组的多倍体物种 IT S 区序列研
究, 也发现在其系统发育树中, 这些多倍体总是与A . um bellu ta ta (UU ) 聚成一分支, 说明这些物种的基
因组进化也是单向的 (待发表数据)。此外, 在某些植物多倍体进化中, 其祖先基因组也可能并不相互影
响, 而是进行了各自独立的进化, 保持着原亲本种基因组的特征, 如芸苔属 (B rassica)多倍体复合体〔29〕。
4　结语
杂交和多倍化是高等植物中相当普遍的进化形式, 对多倍体形成与进化的研究已引起了植物学家
的广泛注意〔35〕。而本文所谈到的只是近几年来对植物异源多倍体研究的点滴。由于多倍体起源是由关
系密切的两物种杂交再多倍化形成的, 在漫长的进化过程中, 形成了复杂的网状进化模式。另外, 由于选
择压力、遗传漂变等因素的影响, 多倍体种与祖先种的性状状态有明显间断, 甚至有的祖先种已灭绝, 这
就引起了研究多倍体起源的种种困难。当然, 这也是多倍体研究首先必须要回答的问题。同时, 由于异源
多倍体都具有两个或两个以上的亲本基因组, 但基因组间的相互作用情况却差异甚大, 同一个体中不同
基因家族同步进化的方向、程度和机制也有明显差别, 从而使得从一个系统得到的结论并不能推广到相
关的类群。因此, 今后有必要对更多处于不同进化历史阶段的异源多倍体植物类群进行研究, 以进一步
揭示多倍体形成和进化的机理。
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