全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2015, 41(7): 9981006 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家自然科学基金项目(31371633)和重庆市教委科研项目(KJ131309)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 陈发波, E-mail: chenfabo963@126.com
第一作者联系方式: E-mail: yql641@aliyun.com
Received(收稿日期): 2015-01-12; Accepted(接受日期): 2015-05-04; Published online(网络出版日期): 2015-05-14.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20150514.1146.004.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2015.00998
基于 Glb 1基因序列的西南地区玉米地方品种的系统进化
姚启伦 1,2 陈发波 1,* 刘红芳 1 方 平 1
1长江师范学院生命科学与技术学院, 重庆 408100; 2长江师范学院武陵山特色资源开发与利用研究中心, 重庆 408100
摘 要: 为探讨我国西南地区玉米地方品种 Glb 1基因序列多态性, 对 40份西南地区玉米地方品种的 Glb 1基因序
列测序, 并与 GenBank中来自普通玉米、小颖玉米、繁茂玉米和摩擦禾的 19条同源序列比对。结果表明, 来自西南
地区四川、重庆、云南和贵州的玉米地方品种分别有 35、25、33 和 25 个多态性位点, 其遗传多态性分别是小颖玉
米的 87%、86%、85%和 71%, 8个种群遗传多态性指数的大小排序为小颖玉米、四川地方品种、重庆地方品种、云
南地方品种、贵州地方品种、普通玉米、磨擦禾和繁茂玉米, Tajima’D、Fu & Li’D和 Fu & Li, F检验表明 Glb 1基因
是中性进化基因。比较种群间 DNA序列的共有多态性和固定差异, 玉米地方品种与小颖玉米、繁茂玉米、磨擦禾间
存在较高的固定差异和较低的共有多态性。Glb 1基因的系统进化关系及网状关系分析为玉蜀黍属的分类系统提供了
佐证, 四川玉米地方品种有较高的遗传多态性支持我国玉米由印度经西藏传入四川的论点。
关键词: 玉米地方品种; Glb 1 基因; 序列多态性
Phylogeny of Maize Landraces in Southwestern China Based on Glb 1 Se-
quences
YAO Qi-Lun1,2, CHEN Fa-Bo1,*, LIU Hong-Fang1, and FANG Ping1
1 Department of Life Sciences and Technologies, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China; 2 Research Centre for Development and
Utility of Unique Resources in the Wulingshan Region, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China
Abstract: To explore the DNA polymorphism of Glb 1 genes in maize landraces from Southwest China, we cloned and sequenced
the DNA sequences from 40 maize landraces, and downloaded the homologous sequences of 19 individuals representing common
maize, parviglumis, Z. luxurians, and T. dactyloides from GenBank. By aligning these sequences and analyzing DNA variations in
Glb 1 loci, we found 35, 25, 33, and 25 polymorphism sites in maize landraces from Sichuan, Chongqing, Yunnan, and Guizhou,
respectively. Their genetic polymorphisms were 87%, 86%, 85%, and 71% of that in parviglumis. On the basis of estimates of ˆ
per base pair and ˆ per base pair, the highest level of sequence variation was found in parviglumis, followed in turn by maize
landraces from Sichuan, landraces from Chongqing, landraces from Yunnan, landraces from Guizhou, common maize, T. dacty-
loides, and Z. luxurians. The estimates of Tajima’s and Fu & Li’s D statistic for Glb 1 gene were negative in the eight taxa, sug-
gesting that neutrality cannot be rejected. In comparison, more fixed differences than shared polymorphisms between maize land-
races and parviglumis, Z. luxurians, as well as T. dactyloides were found. The genealogical and network analysis provided the
evidence for the genus Zea taxonomy. Additionally, genetic diversity of landraces was greater in Sichuan than in the other three
regions. This result supports the hypothesis that the first maize migration was from India to Sichuan by way of Tibet in China.
Keywords: Maize landraces; Glb 1 genes; Sequence polymorphism
玉米(Zea mays L.)是全球的主要粮食作物、饲料
作物和经济作物, 因其独有的生物学性状和遗传学
特性而成为重要的生物学研究材料[1]。西南地区是
我国玉米地方品种的主要分布地带, 地方品种集中
分布在四川、广西、云南、贵州和重庆的高海拔地
区。从已编入国家第一、二、三集种质资源目录的
4662份材料来看, 玉米地方品种资源极其丰富, 除
粉质型和有稃玉米外 , 其余7个类型均存在于西南
第 7期 姚启伦等: 基于 Glb 1基因序列的西南地区玉米地方品种的系统进化 999
地区[2]。
前人 [3-6]对西南地区玉米地方品种进行了大量
基础性研究 , 在表型上地方品种有丰富的遗传变
异。具体表现在株叶穗型千姿百态、籽粒颜色五彩
斑斓、抗性资源丰富多彩。基于 SSR分子标记技术,
田孟良等[7]、吴渝生等[8]、刘永建等[9]、Yao等[10]先
后在 DNA 分子水平对西南地区玉米地方品种进行
了遗传多样性研究。研究结果表明, 西南地区玉米
地方品种在分子水平上有丰富的遗传变异和较高的
育种利用潜势。
近年来, 利用DNA序列变异研究生物群体演化
已成为遗传学研究的一大热点。Glb 1是单拷贝核基
因, 位于第 1 染色体的长臂, 编码存在于玉米成熟
胚中的贮藏蛋白——球蛋白[11]。Belanger 和 Kriz[12]
研究发现, 玉米 Glb 1 基因包含 5 个外显子和 4 个
内含子, 基因编码区长度为 2400 bp, Glb 1-S及因小
片段核苷酸插入所衍生的Glb 1-I和Glb 1-O是Glb 1
基因的 3 种突变体。由于 Glb 1 基因内插入突变所
产生的突变体在近缘物种间存在较大变异, 从而可
用于物种的分类及种群演化研究。Hilton 和 Gaut[13]
首次用Glb 1和 Adh 1基因分析栽培玉米的起源与进
化; 基于 Waxy、Glb 1、c 1和 Adh 1 4个 DNA序列
差异, Tiffin 和 Gaut [14]分析了多年生大刍草和二倍
体多年生大刍草的种群演化关系; 田孟良等[15]分析
了西南糯玉米地方品种 Waxy基因序列多态性。这些
研究为基于 Glb 1 基因序列变异进行种群系统进化
关系研究提供了范例。
西南地区玉米地方品种作为特殊的玉米育种资
源, 其传入年代和时间尚无定论, 在较小时间与空
间尺度上主效基因位点的变异形式及种群演化过程
均未见相关报道。为此, 本研究通过对西南地区玉
米地方品种 Glb 1基因部分 DNA测序, 分析 Glb 1
基因的遗传多态性, 旨在探究玉蜀黍属的系统进化
关系, 为我国玉米的引入途径提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
基于西南地区玉米地方品种的地域分布和种质
特征, 结合田间鉴定地方品种农艺、经济性状及 SSR
标记的遗传多样性分析, 从四川、重庆、云南和贵
州选取典型特色、代表性好的地方品种 40份, 由长
江师范学院玉米育种课题组提供, 材料编号及地理
来源见表 1。
1.2 DNA提取
在培养箱中发芽, 取黄化幼苗叶片约 3 g 在液
氮中研磨, 采用CTAB法[16]]抽提并纯化基因组DNA,
利用琼脂糖凝胶电泳检测 DNA浓度和质量。
1.3 PCR扩增及 DNA测序
PCR扩增片段为Glb 1基因启动子(200 bp)及其
后的约1000 bp序列, 扩增的引物序列为F: 5′-CCG
GAT AAG CAC GGT AAG GA-3′; M: 5′-CTT GCT
GAA GCT CGA CAG GA-3′。引物由上海生工生物工
程有限公司合成 , 扩增产物约1200 bp。PCR体系
50 µL含2×Taq Master Mix 25 µL, 上、下游引物
(10 nmol mL–1)各0.5 µL, DNA 2 µL (含50 ng DNA),
无RNase水 22 µL。在Eppendorf AG PCR仪上进行反
应, 反应程序为94℃预变性5 min, 1个循环; 94℃变
性1 min, 53℃退火1 min, 72℃延伸2 min, 共35个循
环; 最后于72℃延伸10 min。用上海生工生物工程有
限公司SanPrep柱式DNA胶回收试剂盒回收PCR扩
增产物, 将扩增产物连接到质粒载体PMD19-T (Ta-
KaRa)后, 再转染感受态大肠杆菌菌株DH5a。在含
有氨苄青霉素培养基上培养感受态菌株, 挑取阳性
克隆, DNA测序由上海生工生物工程有限公司完成。
1.4 数据分析
将测序得到的各 DNA 序列提交 GenBank 核酸
序列数据库 , 获取 GenBank 登录号 (表 1), 并在
GenBank 中下载部分近缘物种的同源序列: 普通玉
米(AF064212、DQ356513、DQ356524、EF635959、
EU643507)、小颖玉米 (AF064233、 EF539575、
EF536901、EF539611、EF539645)、繁茂玉米(AF064228~
AF064232) 和 磨 擦 禾 (AF064233~AF064235 、
AF377694)。根据植物学分类和地理来源将序列划分
为四川玉米地方品种、重庆玉米地方品种、云南玉
米地方品种、贵州玉米地方品种、栽培玉米、小颖
玉米、繁茂玉米和磨擦禾共 8个种群。通过对 Glb 1
基因序列的多态性分析及其统计学检验研究西南地
区玉米地方品种的种群演化。
采用 DNAMAN 6 软件进行序列比对分析, 用
DAMBE软件进行序列格式转换, 用MEAGA 6软件
计算突变位点数、多态位点数、简约信息位点数和
单显突变数, 用 DnaSP[17]软件计算 Glb 1 基因同义
替代位点数、非同义替代位点数、碱基替代位点数、
遗传多态性指数 ˆ 和 ˆ 以及共有多态数和固定差异
数, 采用 Tajima[18]、Fu和 Li[19]的方法检验种群内基
因平衡进化。
1000 作 物 学 报 第 41卷
表 1 西南地区玉米地方品种群体来源及 Glb 1基因序列登录号
Table 1 Geographical origin and Glb 1 sequence accession number of maize landraces from the southwest of China
品种群体
Population
编号
Code
玉米地方品种
Maize landrace
地理来源
Geographical origin
GenBank登录号
Accession No.
S01 汉源红 Hanyuanhong 四川汉源 Hanyuan, Sichuan, China KP203907
S02 丹巴黄玉米 Danbahuangyumi 四川丹巴 Danba, Sichuan, China KP203909
S03 青神黄玉米 Qingshenhuangyumi 四川青神 Qingshen, Sichuan, China KP203911
S04 叙永糯玉米 Xuyongnuoyumi 四川叙永 Xuyongnuo, Sichuan, China KP203916
S05 筠连玉米 Junlianyumi 四川筠连 Junlian, sichuan, China KP203919
S06 筠连糯玉米 Junliannuoyumi 四川筠连 Junlian, Sichuan, China KP203931
S07 雷波白包谷 Leibobaibaogu 四川雷波 Leibo, Sichuan, China KP203932
S08 小金包谷 Xiaojinbaogu 四川小金 Xiaojin, Sichuan, China KP203933
S09 冕宁玉米 Mianningyumi 四川冕宁 Mianning, Sichuan, China KP203936
四川地方品种
Maize landrace
from Sichuan
S10 康定甜玉米 Kangdingtianyumi 四川康定 Kangding, Sichuan, China KP203937
C01 奉节包谷 Fengjiebaogu 重庆奉节 Fengjie, Chongqing, China KP203896
C02 强龙玉米 Qianglongyumi 重庆武隆 Wulong, Chongqing, China KP203900
C03 五彩玉米 Wucaiyumi 重庆石柱 Shizhu, Chongqing, China KP203901
C04 粉质玉米 Fenzhiyumi 重庆丰都 Fengdu, Chongqing, China KP203948
C05 彭水糯玉米 Pengshuinuoyumi 重庆彭水 Pengshui, Guizhou, China KP203905
C06 暨龙玉米 Jilongyumi 重庆丰都 Fengdu, Chongqing, China KP203914
C07 金黄早 Jinhuangzao 重庆涪陵 Fuling, Chongqing, China KP203915
C08 兴隆玉米 Xinglongyumi 重庆酉阳 Youyang, Chongqing, China KP203918
C09 黔江白玉米 Qianjiangbaiyumi 重庆黔江 Qianjiang, Chongqing, China KP203938
重庆地方品种
Maize landrace
from Chongqing
C10 长寿红玉米 Changshouhongyumi 重庆长寿 Changshou, Chongqing China KP203939
Y01 武定粉玉米 Wudingfenyumi 云南武定 Wuding, Yunnan, China KP203897
Y02 江川糯玉米 Jiangchuannuoyumi 云南江川 Jiangchuan, Yunnan, China KP203917
Y03 黄团粒 Huangtuanli 云南屏边 Pingbian, Yunnan, China KP203922
Y04 马牙玉米 Mayayumi 云南盈江 Yingjiang, Yunnan, China KP203923
Y05 黄糯玉米 Huangnuoyumi 云南绿春 Lüchun, Yunnan, China KP203924
Y06 玉米白粒种 Yumibailizhong 云南会泽 Huize, Yunnan, China KP203925
Y07 梁河白马牙 Lianghebaimaya 云南梁河 Lianghe, Yunnan, China KP203927
Y08 白马牙 Baimaya 云南陇川 Longchuan, Yunnan, China KP203928
Y09 龙江白 Longjiangbai 云南腾冲 Tengchong, Yunnan, China KP203929
云南地方品种
Maize landrace
from Yunnan
Y10 元江甜玉米 Yuanjiangtianyumi 云南昆明 Kunming, Yunnan, China KP203942
G01 遵义红包谷 Zunyihongbaogu 贵州遵义 Zunyi, Guizhou, China KP203947
G02 仁怀糯包谷 Renhuainuobaogu 贵州仁怀 Renhuai, Guizhou, China KP203899
G03 紫云糯包谷 Ziyunnuobaogu 贵州紫云 Ziyun, Guizhou, China KP203902
G04 望谟粘包谷 Wangmozhanbaogu 贵州望谟 Wangmo, Guizhou, China KP203903
G05 大黄粒 Dahuangli 贵州毕节 Bijie, Guizhou, China KP203949
G06 安顺包谷 Anshunbaogu 贵州安顺 Anshun, Guizhou, China KP203904
G07 金沙包谷 Jinshabaogu 贵州金沙 Jinsha, Guizhou, China KP203906
G08 石阡糯玉米 Shiqiannuoyumi 贵州石阡 Shiqian, Guizhou, China KP203920
G09 松桃糯玉米 Songtaonuoyumi 贵州松桃 Songtao, Guizhou, China KP203935
贵州地方品种
Maize landrace
from Guizhou
G10 铜仁甜玉米 Tongrentianyumi 贵州铜仁 Tongren, Guizhou, China KP203945
第 7期 姚启伦等: 基于 Glb 1基因序列的西南地区玉米地方品种的系统进化 1001
采用最大似然法(Maximum Likelihood, ML)分
析系统发育, 采用 MEAGA 6 软件分析 ML, 贝叶斯
推断采用MrBayes 3.2.3软件进行模型和参数估计[20],
利用 Jmodeltest 2进行模型检验, 基于 hLRT标准选
择的最适碱基替代模型 , 外显子 + 内含子序列数
据最适碱基替代模型是 GTR+G, 外显子序列数据最
适碱基替代模型是 T92+G, 内含子序列数据最适碱
基替代模型是 JC+G。ML分析采用最大似然法进行
系统树构建(Test Maximum Likehood Tree), 并采用
自展分析(Bootstraps, BS)进行检验, 自展分析重复
250次。
采用系统网状重建法(The phylogenetic network
reconstruction method)分析种群单体型的系谱关系。
首先利用 HyPhy软件中的 GARD方法分别检测 Glb
1基因外显子、内含子及外显子 + 内含子的重组信
息, 结果表明 Glb 1基因外显子为非重组 DNA序列
(lg Likelihood = –2715.35, AIC=5016.54), 因此, 利
用外显子序列数据资料构建网络支系图[21-22]。采用
Network 5.4.4.0软件(Fluxus Technology Ltd., Clare,
Suffoik, UK)中的中介连接网络法(the median-joining
network method)进行网状支系分析。
2 结果与分析
2.1 Glb 1基因序列分析及基因进化平衡检验
根据序列比对结果, 供试DNA序列平均长度为
1132 bp, 变幅 953~1157 bp。在 DNA序列中检测到
810个突变位点, 其中多态性位点 625个, 简约信息
位点 232个, 单显突变(singleton) 114个。各取样序
列外显子、内含子长度变异和多态性位点见表 2。
在 8个种群中, 小颖玉米的突变位点数最多, 其外显
子中有 24个核苷酸同义替换、15个非同义替换; 四
川地方品种、重庆地方品种、云南地方品种和贵州
地方品种的突变位点数分别为 35、25、33和 25个,
以四川地方品种最高; 供试 8 个种群外显子平均长
度为 757 bp, 变幅 751~762 bp, 表明 Glb 1基因编码
区长度较为保守。
比较各种群的遗传多态性指数 ˆ (表 3), 小颖玉米
的遗传多态性最高(0.0355), 繁茂玉米的最低(0.0106)。
表 2 种群内 Glb 1基因多态位点
Table 2 Polymorphic sites of Glb 1 genes in the eight taxa
外显子 Exon 内含子 Intron 种群
Taxon
样本数
Sample number 同义替代
Syn
非同义替代
Rep
平均长度
AL
替换位点
Subs
平均长度
AL
四川地方品种 Landrace from Sichuan 10 7 28 761 12 198
重庆地方品种 Landrace from Chongqing 10 7 18 757 12 200
云南地方品种 Landrace from Yunnan 10 11 21 756 12 199
贵州地方品种 Landrace from Guizhou 10 5 20 755 9 207
普通玉米 Common maize 5 13 21 751 11 206
小颖玉米 Parviglumis 5 24 15 757 21 201
繁茂玉米 Z. luxurians 5 5 10 759 7 197
摩擦禾 T. dactyloides 4 4 11 762 1 192
Syn: the number of synonymous polymorphisms in exon; Rep: the number of replacement or nonsynonymous polymorphisms in exons;
Subs: the number of base substitutions in intron; AL: the average sequence length of the taxa.
表 3 种群内 Glb 1基因序列多态性和中性进化检验
Table 3 Sequence polymorphism and neutral evolution test of Glb 1 genes in the eight taxa
种群 Taxon N S H ˆ (bp) ˆ (bp) D FD Ffl Rm
四川玉米地方品种 Landrace from Sichuan 10 62 10 0.0269 0.0310 –0.245 –0.244 –0.265 10
重庆玉米地方品种 Landrace from Chongqing 10 82 10 0.0226 0.0306 –1.288 –1.386 –1.539 6
云南玉米地方品种 Landrace from Yunnan 10 83 10 0.0223 0.0303 –1.314 –1.359 –1.523 6
贵州玉米地方品种 Landrace from Guizhou 10 57 10 0.0170 0.0253 –1.604 –1.541 –1.759 2
普通玉米 Common maize 5 35 5 0.0155 0.0155 0.000 0.000 0.000 6
小颖玉米 Parviglumis 5 96 5 0.0323 0.0355 –0.461 –0.555 –0.600 3
繁茂玉米 Z. luxurians 5 24 5 0.0111 0.0106 0.310 0.309 0.333 1
摩擦禾 T. dactyloides 4 24 4 0.0120 0.0129 –0.727 –0.727 –0.758 0
N: 样本数; S: 分离位点数; H: 单体型数; D: Tajima’D; FD: Fu and Li’ D; Ffl: Fu and Li’ F; Rm: 最小重组值。
N: sample numbers; S: the number of segregating sites; H: haploid number; D: Tajima’D; FD: Fu and Li’D; Ffl: Fu and Li’F; Rm: the
minimum recombination number.
1002 作 物 学 报 第 41卷
在西南地区 4 个玉米地方品种类群中, 四川地方品种
最高(0.0318), 序列多态性占小颖玉米的 87%, 重庆地
方品种、云南地方品种和贵州地方品种的遗传多态性
指数分别为 0.0306、0.0303 和 0.0253, 均高于普通玉
米(0.0155)、繁茂玉米(0.0106)和磨擦禾(0.0129)。
由种群内基因平衡进化检验结果(表 3)可知, 各
种群 Tajima’D、Fu and Li’D 和 Fu and Li’F 均不显
著 , 且为负值, 表明Glb 1基因在各种群中是中性进
化基因位点, 不存在选择作用。
2.2 种群间的遗传相关性
共有多态性(shared polymorphisms)是未被遗传
漂变消除的多态性, 与群间分歧年代负相关, 而与
奠基群体大小正相关 , 固定差异(fixed differences)
代表种群在独立演化过程中不同的遗传漂变[23-24]。
通过比较种群间 DNA 序列的共有多态性和固定差
异, 可分析其遗传相关性。由表 4可知, 4个玉米地
方品种群体DNA序列间具有较高的共有多态性, 而
不存在固定差异, 其中四川地方品种与重庆地方品
种、云南地方品种和贵州地方品种间的共有多态数
分别达 56、54和 49, 固定差异数均为 0。相反, 4个
玉米地方品种群体与小颖玉米、繁茂玉米、磨擦禾
3个近缘种群间存在较高的固定差异和较低的共有
多态性, 与磨擦禾间的共有多态数均为 0。就小颖玉
米而言, 其DNA序列与 4个玉米地方品种群体DNA
序列间有较高的共有多态性 , 共有多态数变幅为
20~28; 与普通玉米有 1个固定差异, 21个共有多态
数。这在 Glb 1 序列上反映了西南地区玉米地方品
种与近缘种群间的遗传关系, 玉米地方品种与普通
玉米和小颖玉米有相近的遗传关系, 与繁茂玉米和
磨擦禾有较远的遗传关系。
表 4 种群间的共有多态数和固定差异数
Table 4 Number of shared polymorphisms and fixed differences between taxa
PI PII PIII PIV PV PVI PVII
PII 56
(0)
PIII 54
(0)
48
(0)
PIV 49
(0)
50
(0)
46
(0)
PV 28
(0)
28
(0)
28
(0)
28
(0)
PVI 20
(0)
20
(0)
23
(0)
28
(0)
21
(1)
PVII 2
(8)
3
(8)
2
(8)
19
(0)
2
(13)
21
(1)
PVIII 0
(94)
0
(95)
0
(96)
0
(92)
0
(98)
0
(86)
0
(95)
表内上面和下面(括号内)的数值分别表示共有多态数和固定差异数。PI: 四川地方品种; PII: 重庆地方品种; PIII: 云南地方品种;
PIV: 贵州地方品种; PV: 普通玉米; PVI: 小颖玉米; PVII:繁茂玉米; PVIII: 摩擦禾。
The numbers above and below (in parenthesis) stand for the number of shared polymorphisms and fixed differences, respectively. PI:
landrace from Sichuan; PII: landrace from Chongqing; PIII: landrace from Yunnan; PIV: landrace from Guizhou; PV: common maize; PVI:
parviglumis; PVII: Z. luxurians; PVIII: T. dactyloides.
2.3 Glb 1基因的系统进化关系分析
基于 8 个种群 Glb 1 基因序列的“外显子+内含
子”区, 采用最大似然法(ML)构建系统发育树(图 1)
的似然值为–3310.072, 4 种核苷酸的理论频率为 A:
0.1804、G: 0.3507、T: 0.1571、C: 0.3118, 不变位点
的比率为 0.4838, γ形值(gamma shape parameter)为
0.6888。系统发育关系树显示出玉蜀黍和磨擦禾两
大分支, 玉蜀黍分支分为 A、B两个亚支。A亚支包
括支系 A1、A2、A3、A4和 A5, 支系 A1由 7 个云南
地方品种、7个重庆地方品种、1个四川地方品种和
5个普通玉米品种构成(BP = 72), 支系 A2由分别来
自重庆、四川和云南的 1个地方品种构成(BP = 73),
支系 A3包括 1 个小颖玉米、8 个四川地方品种、1
个重庆地方品种和 1个云南地方品种(BP = 100), 来
自贵州的 10个地方品种、1个重庆地方品种和 1个
云南地方品种构成支系 A4 (BP = 58), 1个小颖玉米
单独构成支系 A5 (BP = 89); B亚支包括支系 B1和系
B2, 支系 B1仅由 1个小颖玉米构成(BP = 97), 支系
第 7期 姚启伦等: 基于 Glb 1基因序列的西南地区玉米地方品种的系统进化 1003
B2包括 3个小颖玉米和 5个繁茂玉米(BP = 100)。由
系统发育树(图 1)可见, 相同地理来源的玉米地方品
种有相近的遗传关系, 多数同一地理来源的地方品
种聚居在同一支系。
图 1 8个种群 Glb 1基因系统发育树
Fig. 1 Phylogenetic tree of Glb 1 genes in the eight taxa
2.4 Glb 1基因序列网状(network)进化关系分析
为进一步明确种群间系统演化关系, 利用近缘
种小颖玉米、普通玉米和玉米地方品种 Glb 1 基因
外显子区的序列变异进行网状进化关系分析, 网状
支系图(图 2)显示了来自小颖玉米、普通玉米和 4个
地方品种供试种群 50个单体型的系谱关系。由图 2
可见, 供试种群的 50个单体型被划分成四大支系。
支系 I 由 10 个贵州地方品种单体型、1 个重庆地方
品种单体型和 1个普通玉米单体型构成, 支系 II由 9
个重庆地方品种单体型、4个四川地方品种单体型、
2 个云南地方品种单体型和 3 个普通玉米单体型构
成, 6个四川地方品种和 1个普通玉米单体型构成支
1004 作 物 学 报 第 41卷
系 III, 8个云南地方品种单体型构成支系 IV。其中, 5
个小颖玉米均单独成支且位于中间位置, 3个普通玉
米位于支点中央三, 玉米地方品种成群分居, 这与
Glb 1基因序列的系统进化关系分析一致。
图 2 玉米地方品种、普通玉米和小颖玉米 Glb 1基因外显子单体型的网状进化关系
Fig. 2 Network relationships of exon haplotypes of Glb 1 genes in maize landraces, common maize, and parviglumis
3 讨论
3.1 Glb 1基因序列多态性
基因序列多态性是生物种群演化的基础, 而序
列多态性和基因进化是物种在同一演化过程中的两
个不同层次[25]。分析单拷贝核基因序列的遗传多态
性可了解基因在不同种群中的演化进程。Buckler 等[26]
通过分析现代玉米与其祖先种在多个基因位点上的
序列变异, 发现现代玉米在驯化过程中保留了祖先
种 70%的遗传多样性。Chen和 Li[27]的研究表明, 任
两个玉米品种在 DNA 沉默位点的差异达 1.4%, 是
其他禾本科作物的 14倍, 相当于灵长类黑猩猩与人
的差异。本研究在 Glb 1 基因序列中检测到 810 个
突变位点、625个多态性位点、232个简约信息位点,
遗传多态性指数 ˆ的大小排序为小颖玉米、四川地
方品种、重庆地方品种、贵州地方品种、普通玉米、
磨擦禾和繁茂玉米, 玉米地方品种群体 Glb 1 基因
序列多态性较高, 四川、重庆、云南和贵州地方品
种的序列多态性分别是小颖玉米的 87%、86%、85%
和 71%, 分别是普通玉米的 2.00、1.97、1.95和 1.63
倍。此外, Glb 1基因序列的网状支系分析发现, 40
个玉米地方品种序列有 40个单体型, 由此表明地方
品种群体在该位点有较高的遗传多态性。
3.2 西南地区玉米地方品种的起源与演化
玉米起源于美洲, 在墨西哥进化后, 向北美和
南美传播。玉米作为重要的粮食和饲料作物, 在美
洲驯化历史达 5000年之久, 并在全球范围内进行了
长达 3000多年的广泛栽培。目前还未发现具有现代
栽培玉米植株形态的的野生玉米, 玉米首次传入我
国准确的年代和途径尚无定论。据古籍记载, 1511
年前玉米引入我国, 可能有两条引入途径, 一条是
由印度经西藏传入四川, 另一条是由海路传入东南
沿海地区, 再扩散到内地[1]。玉米传入我国后, 经近
第 7期 姚启伦等: 基于 Glb 1基因序列的西南地区玉米地方品种的系统进化 1005
500 年的风土驯化, 形成了极为丰富的地方品种类
型, 并在其进化过程中产生了由新的隐性基因控制
的多样化区域, 即次生基因中心[28]。
由 Glb 1 基因序列的系统进化关系发现, 地方
品种和普通玉米在同一亚支, 表明地方品种与现代
玉米相近的起源与演化, 同时支持 Iltis和 Doebley[29]
对于玉蜀黍属的分类系统。基于 SSR标记和 B染色
体多态性分析, 笔者[10,30]发现四川玉米地方品种有
较高的遗传多样性, 为玉米由印度经西藏传入四川
提供了证据。本研究结果表明, 西南地区玉米地方
品种有较高的遗传多态性, 其中四川玉米地方品种
有最高的遗传多态性指数, 高于其余 3个西南地区
地方品种群体。就单体型的系谱关系而论, 四川玉
米地方品种 10个单体型分居两大支系, 且与普通玉
米单体型相邻, 反映了单体型间较大的遗传差异。
这为我国玉米由印度经西藏传入四川提供了佐证 ,
同时表明西南地区玉米地方品种最早在四川种植 ,
逐步向毗邻地区扩散。
4 结论
Glb 1是中性进化基因, 玉米地方品种在 Glb 1
基因位点有较高的遗传多态性, 玉米近缘种属小颖
玉米、繁茂玉米、磨擦禾与地方品种间存在较高的
固定差异和较低的共有多态性。本研究结果为玉蜀
黍属分类系统及我国玉米的引入途径提供了佐证。
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