全 文 ：堇菜属组间的系统发育与亲缘关系:基于trnL灢
trnF、psbA灢trnH、rpL16、ITS序列,
细胞学以及形态学证据*
梁冠欣1,2,邢福武1**
(1中国科学院华南植物园,广东 广州暋510650;2中国科学院研究生院,北京暋100049)
摘要:以鼠鞭草 (Hybanthusenneaspermus)、鳞隔堇 (Scyphelandrapierrei)、雷诺木 (Rinoreabenga灢
lensis)作为外类群,对堇菜属 (Viola)20个类群的trnL灢trnF序列,17个类群的psbA灢trnH、rpL16
序列以及1个类群的nrDNAITS序列进行了测定,并从GenBank下载相应的序列,运用最大简约法以及
贝叶斯推论法进行系统分析,构建系统发育树。结果表明:堇菜亚属 (subgen灡Viola)不是一个单系类
群,并明确了堇菜属部分组间类群的亲缘关系。本文还结合形态与细胞学证据对堇菜属进行性状演化的推
测。结果表明:1)直立茎较匍匐茎、莲座状茎 (叶基生)原始;2)托叶边缘长流苏状与托叶1/2~3/4
合生分别是鸟嘴柱头堇菜组 (sect灡Trigonocarpae)和合生托叶组 (sect灡Adnatae)演化路线的重要性状
标志;3)花柱样式从柱头无喙演化至柱头有喙,并由柱头简单演化至柱头复杂,再趋向于柱头简化。
关键词:堇菜属;ITS;trnL灢trnF;psbA灢trnH;rpL16;系统发育
中图分类号:Q949,Q943暋暋暋 暋文献标识码:A暋暋暋暋暋暋文章编号:0253灢2700(2010)06灢477灢12
InfragenericPhylogenyoftheGenusViola(Violaceae)Based
ontrnL灢trnF,psbA灢trnH,rpL16,ITSSequences,
CytologicalandMorphologicalData
LIANGGuan灢Xin1,2,XINGFu灢Wu1**
(1SouthChinaBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510650,China;
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
Abstract:ThesequencesofchloroplasttrnL灢trnF(20species),psbA灢trnH (17species),rpL16(17spe灢
cies)andITS (onespecies)regionsofthegenusViolawereanalyzedforphylogeneticrelationshipsinthege灢
nuswiththemaximumparsimony(MP)andBayesianinference(BI)analyses.Hybanthusenneaspermus,
ScyphelandrapierreiandRinoreabengalensiswereusedasoutgroups.Additionalsequencescorresponding
tothesameDNAregionsfortheothertaxainViolaweredownloadedfromGenBank.Thephylogenetictree
indicatedthatsubgen灡Violaisnotmonophyletic.Moreover,someintragenericrelationshipsin Violawere
clarified.Combiningsequenceswith morphologicalcharactersandchromosomenumber,theinferenceof
morphologicalevolutioninViolawasputforward.Itwasinferredthat:1)erectstemsmightwelbemore
primitivethanstolonsandrosettes;2)longfimbriatemargininstipulesandstipuleswith1/2-3/4adnate
partmightrepresentdistinctiveevolutionarytrendsofsect灡Trigonocarpaeandofsect灡Adnataerespectively;
3)specieswithstigmaticbeaksmighthavebeenderivedfromancestorswithoutbeaks;simplestructurestig灢
云 南 植 物 研 究暋2010,32(6):477~488
ActaBotanicaYunnanica暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋DOI:10灡3724/SP灡J灡1143灡2010灡10122
*
**
基金项目:国家自然科学基金 (30870153)
通讯作者:Authorforcorrespondence;E灢mail:xinfw@scib灡ac灡cn
收稿日期:2010灢06灢13,2010灢09灢27接受发表
作者简介:梁冠欣 (1984-)女,硕士,主要从事植物学研究。
mastransformedintocomplexstructurestigmas,andthentransformedbacktosimplestucturepatterns.
Keywords:Viola;ITS;trnL灢trnF;psbA灢trnH;rpL16;Phylogeny
暋 堇菜属ViolaL.起源于南美洲安第斯山脉
(Clausen,1929),是堇菜科Violaceae中演化程
度最高的骨干大支 (吴征镒等,2003;Clausen,
1951)。全球约525~600种 (Clausen,1964;
Balard,1996);我国约96种 (Chen等,2007)。
由于分布广、杂交易、兼具开放花与闭锁花 (有
性与无性繁殖方式),广泛存在自然杂交现象
(Kim等,1991;Marcussen,2003),部分类群
的性状在不同发育阶段常有很大变化,一直被视
为分类难度较大的类群。
自林奈建立堇菜属以来 (Linnaeus,1753),
关于堇菜属属下划分等级的问题一直备受争议。
Gingins (1824)根据花柱和柱头的形态特征将
堇菜属划分为5组 (sect灡Nomimium、sect灡Dis灢
chidium、sect灡Melanium、sect灡Chamaemelan灢
ium 和sect灡Leptidum )。Becker (1916,1929)
将堇菜属划分为14组及30多个组下分类单位。
Yuzepchuk 和 Klokov (1949) 则 将 Becker
(1925)系统的组提升为亚属,组下等级也进行
相应调整。王庆瑞 (1991)沿用 Yuzepchuk和
Klokov系统 (1949)将中国堇菜属划分为4亚
属。此后,FloraofChina(Chen等,2007)将
堇菜属属下划分为5亚属。
近年来,基因序列被应用于堇菜属系统学研
究,为理解该属的系统发育提供了新的视角。
Balard (1996)首次利用ITS序列解决堇菜属
系统问题,结果显示分子系统学的结论与传统分
类存在矛盾,可能需要对堇菜属现有的分类系统
作出较大的修订。此后,Yoo等 (2005)利用
ITS序列对韩国堇菜属进行系统发育重建,认为
sect灡Nomimium 是并系类群,目前的划分不能
准确反映其系统发育关系。龚琴 (2008)基于
ITS序列对中国堇菜属类群进行研究,认为依据
形态学特征把中国堇菜属划分为4亚属的分类系
统不自然。
前人对堇菜属作了大量深入的研究,但各学
者对于堇菜属属下的系统发育关系意见并不统
一。争论主要集中在:1)属下分类单元采用亚
属-组系统还是采用组-亚组系统的争议, 《中
国植物志》划分的4亚属或FloraofChina划分
的5亚属是否能正确反映该属的系统发育关系;
2)对部分类群的归属存在争议,如:Pinnatae
类群是否应并入合生托叶组 (sect灡Adnatae);
蔓茎堇菜组 (sect灡Difusae )与 匍 匐 堇 菜 组
(sect灡Serpentes)形态甚为相似,是否应并为
一组。此外,目前对该属形态演化样式的认识还
不十分明确。对于这些问题的解答,尤其需要借
助分子生物学手段解决。
基于上述争论,本研究对采集到的堇菜属及
其近缘属类群的基因片段 (trnL灢trnF、psbA灢
trnH、rpL16、ITS)进行测定,已报道的相应
的片段作为补充,为堇菜属属下的系统关系研究
提供新的证据。
1暋材料与方法
1灡1暋实验材料
提取总DNA的堇菜属植物共21种,材料为野外考
察采集的新鲜叶片。以堇菜属的近缘种鼠鞭草 (Hyban灢
thusenneaspermus)、鳞隔堇 (Scyphelandrapierrei)、
雷诺木 (Rinoreabengalensis)作为外类群,结合已报
道的中国分布的堇菜属分子数据 (龚琴,2008;Yoo,
2005),本研究涉及堇菜属植物共39种,涵盖了王庆瑞
系统 (1991)的3亚属10组。实验材料来源见表1,凭
证标本保存于中国科学院华南植物园标本馆 (IBSC)。
1灡2暋实验方法
总 DNA 提 取 采 用 CTAB 法 (Doyleand Doyle,
1987),从干燥叶片中提取总DNA,并略加改良,增加
两次抽提步骤。trnL灢trnF(Taberlet等,1991),psbA灢
trnH (Hamilton,1999;Shaw等,2005),rpL16 (Jor灢
dan等,1996;KelchnerandClark,1997),ITS(White
等,1990)4个DNA片段扩增反应程序均采用:94曟预
变性3min;94曟变性45s,56~49曟退火1min,72曟
延伸1灡5min,循环30次;72曟延伸10min。实际操作
中,根据不同的样品质量,适当调整退火温度。所有序
列由上海英骏生物技术有限公司 (Invitrogen)完成测
序。序列数据提交至美国生物信息中心 (NCBI),Gen灢
Bank登录号见表1。
1灡3暋数据处理
序列的编辑和拼接由SeqMan栻 (version5灡00,DNAs灢
tar,2001)完成。用ClustalX1灡83 (Thompson等,1997)
874暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
表1暋实验材料来源及GenBank序列号
Table1暋ThesourceofmaterialsandGenBankaccessionNo.
分类群Taxon 采集地Locality 凭证标本Voucher
基因库序列号GenBankaccessionNo.
trnL灢trnF psbA灢trnH rpL16 ITS
Ingrouptaxon
堇菜组sect灡Viola
日本堇菜V灡hondoensisW灡BeckerexH灡Boissieu 浙江天目山 Mt灡Tianmushan,Zhejiang 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0106(IBSC) HM483555 GQ262633b GQ262719b AY928296c
球果堇菜V灡colinaBesser DQ085887a GQ262595b GQ262681b FJ002880d
鸟嘴柱头堇菜组sect灡Trigonocarpae
紫花堇菜V灡grypocerasA.Gray 江西庐山 Mt.Lushan,Jiangxi 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0002(IBSC) DQ085891a HM483582 HM483532 FJ002881d
庐山堇菜V灡stewardianaW.Becker 江西井冈山 Mt.Jinggangshan,Jiangxi 周劲松 (ZhouJ灡S灡)211(IBSC) HM483568 HM483593 HM483543 FJ002883d
小齿堇菜V灡serrulaW.Becker 贵州金钟山 Mt.Jinzhongshan,Guizhou 周劲松 (ZhouJ灡S灡)320(IBSC) HM483567 HM483592 HM483542 FJ002887d
石生堇菜V灡rupestrisF.W.Schmidt 新疆阿勒泰 AletaiXinjiang 周劲松 (ZhouJ灡S灡)1511(IBSC) HM483566 HM483591 HM483541 FJ002888d
鸡腿堇菜V灡acuminataLedeb. DQ085890a GQ262597b GQ262683b FJ002884d
蓼叶堇菜V灡websteriHemsl. DQ085892a GQ262599b GQ262685b AY928274c
库页堇菜V灡sacchalinensisH.deBoiss DQ085923a GQ262598b GQ262684b AY928276c
新竹堇菜V灡shinchikuensisYamam. 广东乳源五指山 Mt灡Wuzhishan,Guangdong 周劲松 (ZhouJ灡S灡)128(IBSC) HM483564 HM483590 HM483540 FJ002886d
合生托叶组sect灡Adnatae
长萼堇菜V灡inconspicuaBlume 广东华南植物园SCBG,Guangdong 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0187(IBSC) HM483556 HM483583 HM483533 FJ002897d
早开堇菜V灡prionanthaBunge 山东大佛山 Mt.Dafoshan,Shandong 张荣京 (ZhangR灡J灡)17955(IBSC) HM483563 HM483589 HM483539 FJ002893d
斑叶堇菜V灡variegataFisch.exLink DQ085918a GQ262626b GQ262712b AY928305c
紫花地丁V灡philippicaCav. 山东大佛山 Mt.Dafoshan,Shandong 周劲松 (ZhouJ灡S灡)17954(IBSC) HM483562 GQ262625b GQ262711b FJ002895d
东北堇菜V灡mandshuricaW.Becker DQ085913a GQ262623b GQ262709b FJ002896d
白花堇菜V灡lactifloraNakai DQ085912a GQ262622b GQ262708b AY928298c
毛柄堇菜V灡hirtipesS.Moore DQ085910a GQ262620b GQ262706b AY928297c
深山堇菜V灡selkirkiPurshexGold. DQ085920a GQ262628b GQ262714b AY928307c
茜堇菜V灡phalacrocarpaMaxim. DQ085906a GQ262618b GQ262704b AY928294c
犁头草V灡japonicaLangsd.exGing. DQ085908a GQ262619b GQ262705b EU591965e
心叶堇菜 V灡yunnanfuensisW.Becker 江西庐山 Mt.Lushan,Jiangxi 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0010(IBSC) HM483550 HM483577 HM483527 HM483597
裂叶堇菜组sect灡Pinnatae
裂叶堇菜V灡dissectaLedeb. DQ787752f GQ262614b GQ262700b FJ002891d
南山堇菜V灡chaerophyloides(Regel)W灡Becker DQ787747f GQ262613b GQ262699b FJ002898d
朝鲜堇菜V灡albidaPalib. DQ787732b GQ262616b GQ262702b DQ787755b
阔鞘堇菜组sect灡Vaginatae
荁V灡moupinensisFranch. 江西武功山 Mt.Wugongshan,Jiangxi 周劲松 (ZhouJ灡S灡)152(IBSC) HM483560 HM483587 HM483537 FJ002900d
续表1
分类群Taxon 采集地Locality 凭证标本Voucher
基因库序列号GenBankaccessionNo.
trnL灢trnF psbA灢trnH rpL16 ITS
大叶堇菜V灡diamantiacaNakai DQ085900a GQ262611b GQ262697b AY928288c
辽宁堇菜V灡rossi Hemsl. 江西庐山 Mt.Lushan,Jiangxi 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0024(IBSC) HM483565 GQ262610b GQ262696b AY928287c
犁头叶堇菜V灡magnificaC灡J.WangexX灡D.Wang 江西庐山 Mt.Lushan,Jiangxi 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0038(IBSC) HM483559 HM483586 HM483536 FJ002899d
匍匐堇菜组sect灡Serpentes
江西堇菜V灡kiangsiensisW.Becker 江西武功山 Mt.Wugongshan,Jiangxi 周劲松 (ZhouJ灡S灡)1569(IBSC) HM483557 HM483584 HM483534 FJ002901d
阔萼堇菜V灡grandisepalaW.Becker 四川峨眉山 Mt.Emeishan,Sichuan 周劲松 (ZhouJ灡S灡)425(IBSC) HM483554 HM483581 HM483531 FJ002903d
深圆齿堇菜V灡davidiFranch. 广西猫儿山 Mt.Maoershan,Guangxi 周劲松 (ZhouJ灡S灡)273(IBSC) HM483551 HM483578 HM483528 FJ002902d
亮毛堇菜V灡lucensW.Becker 贵州燕子岩 Yanziyan,Guizhou 周劲松 (ZhouJ灡S灡)348(IBSC) HM483558 HM483585 HM483535 FJ002913d
蔓茎堇菜组sect灡Diffusae
蔓茎堇菜V灡diffusaGing. 广东怀集 Huaiji,Guangdong 龚琴 (GongQ灡)00043(IBSC) HM483552 HM483579 HM483529 FJ002917d
南岭堇菜V灡nanlingensisJ灡S.ZhouexF灡W.Xing 广东南昆山 Mt.Nankunshan,Guangdong 梁冠欣 (LiangG灡X灡)0185(IBSC) HM483561 HM483588 HM483538 FJ002916d
双缘柱头堇菜组sect灡Bilobatae
如意草V灡arcuataBlume 广东南岭 Mt.Nanling,Guangdong 周劲松 (ZhouJ灡S灡)1553(IBSC) HM483571 GQ262607b GQ262692b FJ002911d
三角叶堇菜V灡triangulifoliaW.Becker 江西井冈山 Mt.Jingangshan,Jiangxi 周劲松 (ZhouJ灡S灡)140(IBSC) HM483570 HM483595 HM483545 FJ002912d
立堇菜V灡raddeanaRegel DQ085925a GQ262608b GQ262694b AY928279c
短距堇菜组sect灡Brevicalcaratae
双花堇菜V灡bifloraL. DQ085922a GQ262592b GQ262678b FJ002905d
直立黄花堇菜组sect灡Erectae
东方堇菜V灡orientalis(Maxim.)W.Becker DQ085929a GQ262593b GQ262679b FJ002909d
Outgrouptaxon
genusHybanthusJacq.
鼠鞭草H灡enneaspermus(L.)F.Muel. 海南海口 Haikou,Hainan 张杏根 (ZhangX灡G灡)00124(IBSC) AY739762g HM483574 HM483523 HM483598
genusScyphelandraThw.
鳞隔堇S灡pierreiH.Boissieu 海南三亚Sanya,Hainan 龚琴 (GongQ灡)00118(IBSC) HM483548 HM483575 HM483525 FJ002920d
genusRinoreaAubl.
雷诺木R灡bengalensis(Wal.)Kuntze 海南三亚Sanya,Hainan 龚琴 (GongQ灡)00122(IBSC) HM483547 HM483573 HM483524 FJ002919d
注:上述类群按王庆瑞 (1991)、Chen等 (2007)、周劲松 (2008)的属下分类系统排列。abcdefg:代表从基因库下载的序列。
Note:TheinfragenericclassificationsystemfolowsWang,1991;Chenetal灡,2007;Zhou,2008.
abyYooKOandLeeWT(2005);bbyYooKOandJangSK(2009);cbyYooKO,JangSKandLeeWT(2005);dbyGongQetal灡 (2009);ebyXuH,WangZTandHuZB(2009);
fbyJangSKandYooKO (2007);gbyBakkerFT,vanGemerdenBSandAchoundongG(2005)
排序后,再使用Se灢Alv2灡0a11 (Rambaut,2002)进行
手工排序调整。形成trnL灢trnF、psbA灢trnH、rpL16和
ITS矩阵后进行序列连接,最终得到cpDNA (trnL灢
trnF、psbA灢trnH、rpL16)&ITS序列矩阵。
暋暋根据堇菜属trnL灢trnF、psbA灢trnH、rpL16及ITS
序列特征和研究目的,本研究分别采用PAUP*4灡0b10
(Swofford,2002)和 MrBayes v3灡1灡2 (Ronquistand
Huelsenbeck,2003)软件。最大简约法 (MaximumParsi灢
mony,MP)采用启发式搜索 (Heuristicsearch),1000次
随机序列加入,TBR (TreeBisectionReconnection)枝长
交换,MULPARES和 ACCTRAN优化,空位 (gap)作
为缺失 (missing)状态分析。并采用500次抽样自展
(bootstrap)分析评估系统树各分支的自展支持率。贝叶
斯推论法 (BayesianInference,BI)分析时,核酸替代模
型由Modeltest3灡7 (PosadaandBuckley,2004)计算得到,
应用 HLRT 检 验 (HierarchicalLikelihoodRatioTests)
(PosadaandCrandal,1998;RoalsonandFriar,2004)计算
碱基位点的变异频率和变异位点的比率,运算出最佳核
苷酸替代模型TrN+T+G。4条马尔可夫链 (Altekar等,
2004)同时运行,MCMC分析以随机树为起始树,运行1
暳106代,每100代抽样一次。在舍弃动态抽样的次数后
(Burn灢in),对剩余的代数静态抽样计算50%一致性系统
发育树,所得到的后验率 (posteriorprobability,PP)
(Huelsenbeck等,2001)作为检测每个分支的可信度。
在分子系统发育框架中,对形态性状分布进行分析,
以了解堇菜属的形态演化样式。采用 Mesquitev.2灡5
(MaddisonandMaddison,2008)软件,把堇菜属的形态
性状标注到BI树上,挑选出4个具有一定规律的性状分
布图。其中,柱头形态,染色体数目 (表2)对堇菜属
属下等级的划分 (Becker,1916,1929;Clausen,1927,
1929,1931,1964)以及对揭示堇菜属系统演化关系具
有重要意义 (Balard,1996;Yoo,2005);茎的类型在揭
示该属系统演化关系上具有重要价值 (Balard,1996)。
此外,托叶边缘类型及着生状况在分子系统树上的分布
具有一定规律,因此也用作探讨堇菜属属内组间的系统
关系。
2暋结果
2灡1暋序列特征
本研究一共获得24份样品的序列,共64
条。研究数据与前人的数据联合分析,数据信息
统计分析结果见表3。psbA灢trnH 提供的系统
发育信息要多于rpL16、trnL灢trnF (表 3)。
psbA灢trnH序列插入/缺失较多,存在大量的
A、T重复序列,增加了校对难度,排列后的数
据需要通过手工校正。堇菜属的rpL16片段与外
类群差异较大,特异碱基的出现导致一些区域出
现了大量的空位。trnL灢trnF序列长度变化不
大,比对较容易。
表2暋 用于本文系统发育分析的堇菜属已报道的染色体资料
Table2暋ChromosomenumberofViolareportedforthisphylogeneticanalysis
分类群
Taxon
染色体数
Chromosome
number
资料来源
Reference
分类群
Taxon
染色体数
Chromosome
number
资料来源
Reference
sect灡Viola sect灡Pinnatae
V灡colina 2n=20 陈又生,2006 V灡albida 2n=24 Lee,1967
V灡hondoensis 2n=20 Nishikawa,1985 V灡dissecta 2n=24 陈又生,2006
sect灡Trigonocarpae V灡chaerophyloides 2n=24 葛传吉等,1987
V灡grypoceras 2n=20 陈又生,2006 sect灡Vaginatae
V灡stewardiana 2n=20 陈又生,2006 V灡rossi 2n=24 陈又生,2006
V灡sacchalinensis 2n=20 BelaevaandSiplivinsky,1975 V灡magnifica 2n=24 陈又生,2006
V灡rupestris 2n=20 孙坤和王庆瑞,1996 V灡moupinensis 2n=24 陈又生,2006
V灡acuminata 2n=20 Starodubtsev,1985 sect灡Serpentes
sect灡Adnatae V灡lucens 2n=26 陈又生,2006
V灡selkirki 2n=24 StepanovandMuratova,1995 sect灡Diffusae
V灡japonica 2n=48 陈又生,2006 V灡diffusa 2n=26 陈又生,2006
V灡variegata 2n=24 孙坤和王庆瑞,1996 sect灡Bilobatae
V灡inconspicua 2n=24 陈又生,2006 V灡verecunda 2n=24 Hsu,1968
V灡phalacrocarpa 2n=24 Lee,1967 V灡raddeana 2n=24 Lee,1967
V灡hirtipes 2n=24 SokolovskayaandProbatova,1986 sect灡Brevicalcaratae
V灡prionantha 2n=48 陈又生,2006 V灡biflora 2n=12 孙坤和王庆瑞,1991
V灡philippica 2n=48 黄荣福等,1996 sect灡Erectae
V灡mandshurica n=24,2n=48 王震哲,1989 V灡orientalis 2n=12 Starodubtsev,1985
V灡lactiflora 2n=48 Lee,1967
1846期暋暋暋梁冠欣和邢福武:堇菜属组间的系统发育与亲缘关系:基于trnL灢trnF、psbA灢trnH、rpL16...暋暋暋
表3暋堇菜属及其外类群各基因片段的序列特征
Table3暋SequencecharacteristicsofeachgenefragmentinViolaandoutgroups
Character
trnL灢trnF
ingroup outgroup
psbA灢trnH
ingroup outgroup
rpL16
ingroup outgroup
cpDNA
+ITS
Unalignedlength(bp) 919-805 839-875 270-403 504-615 929-1105 859-870 -
Alignedlength (bp) 1052 974 1308 4022
Variablesite (bp) 205 307 271 1111
Informativesite (bp) 87 106 110 484
Informativesite (%) 8灡27 10灡89 8灡41 12灡00
2灡2暋系统发育分析
2灡2灡1暋最大简约法与贝叶斯推论法分析结果
利用最大简约法和贝叶斯推论法进行系统树
的构建,不同分析方法所获得的系统树在拓扑结
构上基本一致,仅仅是某些小分支存在略微差
异,但冲突部分的支持率并不高 (MP树与BI
树的拓扑结构基本一致,但 MP树的分支自展支
持率较低,BI树见图1,MP树未在文章显示)。
分子系统树显示 (图1),堇菜属内部构成两个
亚分支 (CladeA和CladeB)。CladeA 包含10
个堇菜属物种 (BS=100,PP=1灡00),由堇菜
组 (sect灡Viola)与鸟嘴柱头堇菜组 (sect灡Trig灢
onocarpae)组成。代表堇菜组的V灡colina与
V灡hondoensis组成姐妹支先于鸟嘴柱头堇菜组
类群分化,位于CladeA外侧。CladeB的成分
较为复杂 (BS=94,PP=1灡00),先分化出由须
毛柱头堇菜亚属 (subgen灡Chamaemelanium )
与二裂花柱堇菜亚属 (subgen灡Dischidium )构
成的姐妹支 (BS=85,PP=0灡95),其后分化出
CladeC和CladeD。CladeC由匍匐堇菜组成员
组成。CladeD由两大分支组成:1)裂叶堇菜
组 (sect灡 Pinnatae)、 合 生 托 叶 组 以 及
V灡magnifica组成一支 (BS=100,PP=1灡00);
2)蔓茎堇菜组与V灡lucens组成一支,再与阔鞘
堇菜组 (sect灡Vaginatae)和双缘柱头堇菜组
(sect灡Bilobatae)构成的姐妹支 (BS=55,PP
=0灡95)组成一个分支。
分析结果与传统分类系统存在矛盾:堇菜亚
属 (subgen灡Viola)(王庆瑞,1991;Chen等,
2007)部分类群与二裂花柱堇菜亚属类群及须毛
柱头堇菜亚属类群聚成一支 (BS=94,PP=
1灡00);隶属裂叶堇菜组的V灡chaerophyloides、
V灡albida、V灡dissecta以及属于阔鞘堇菜组的
V灡magnifica镶嵌在合生托叶组分支内部;形态
极为相似的匍匐堇菜组与蔓茎堇菜组在系统树上
表现的亲缘关系较远;V灡lucens与蔓茎堇菜组
近缘,与匍匐堇菜组的其他成员亲缘关系较远。
2灡2灡2暋染色体数目、形态性状与分子数据联合
分析结果
图2:A染色体基数x=6和x=10的类群
分别相对集中分布在CladeE和CladeF。
图2:B直立茎类型集中分布在最外侧Clade
G和CladeH,匍匐茎类群CladeJ随后分化出
来,叶基生类型集中在最内层CladeK。
图2:C托叶着生类型及托叶形态演化有一定
规律性。CladeL和CladeM的物种托叶基部或1/
3与叶柄合生;CladeN物种托叶1/2以上与叶柄
合生。CladeP的物种其托叶边缘全为长流苏状。
图2:D 首先分出柱头有乳状凸起 (Clade
Q)和簇生须毛 (CladeR)两分支,在簇生须
毛的一支分化出柱头平坦或微凹、两侧具有边缘
的分支 (CladeS)。
3暋讨论
3灡1暋确定堇菜亚属不是一个单系类群
分子系统树显示堇菜亚属部分类群 (王庆
瑞,1991;Chen 等,2007)(sect灡Bilobatae,
sect灡Diffusae,sect灡Vaginatae,sect灡Pinnatae,
sect灡Adnatae,sect灡Serpentes)与须毛柱头堇
菜亚属与二裂花柱堇菜亚属聚于一支 (BS=94,
PP=1灡00)。这表明堇菜亚属不是一个单系类群。
此推论得到细胞学证据的支持 (图2:A)。x=10
的类群 (CladeF)作为一个较早分化的支系,与
CladeE构成平行分支,x=10与x=6可能有着
不同的进化途径。建议把鸟嘴柱头堇菜组与堇菜
组作为一类独立类群与堇菜亚属中染色体基数为
6的类群分离,此处理可能更清晰反映堇菜属属
下的系统关系。但由于本研究仅涉及部分类群,
284暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
我们还难以深入探讨鸟嘴柱头堇菜组与堇菜组的
系统地位。
3灡2暋堇菜属属内亲缘关系
3灡2灡1暋匍匐堇菜组与蔓茎堇菜组的亲缘关系
王庆瑞 (1991)对匍匐堇菜组与蔓茎堇菜组
的界定含糊,其特征描述极为相似。此外,通过
图1暋基于cpDNA与ITS合并序列的贝叶斯推论法获得的堇菜属系统树
分支上、下数字分别代表最简约法分析 (树长=1817,一致性系数=0灡758,保留系数=0灡792)
获得自展支持率和贝叶斯推论获得的后验率
Fig灡1暋A50% majority灢ruleconsensustreefromBayesiananalysisbasedonthecombinedcpDNA &ITS
datamatrixforViolaandoutgroups
(Figuresaboveandbelowthebranchesindicatebootstrapsupportfromthemaximumparsimonyanalysis(TreeLength=1817,
CI=0灡758,RI=0灡792)andposteriorprobabilitiesfromtheBayesianinferencerespectively)
3846期暋暋暋梁冠欣和邢福武:堇菜属组间的系统发育与亲缘关系:基于trnL灢trnF、psbA灢trnH、rpL16...暋暋暋
气孔类型研究 (周劲松,2008)、化学成分分析 (王
震哲,1989),多数学者认为两者关系极为密切。
然而,本研究的系统树显示这两类群各自为独立
分支,关系较远。 “V灡grandisepala灢V灡davidi灢
V灡kiangsiensis暠早于蔓茎堇菜组类群组成一支
(BS=99,PP=1灡00)。从形态上看,匍匐堇菜
组类群叶基部不下延;蔓茎堇菜组叶基部明显下
延于叶柄,叶柄有宽翅。尽管此形态特征并非堇
菜属经典分类的重要性状,但这两组类群确实存
在明显区别,在野外调查中较易辨认。
3灡2灡2暋裂叶堇菜组与合生托叶组的系统关系
合生托叶组分支包含了参与本次研究的所有
裂叶堇菜组类群 (V灡albida、V灡dissecta、V灡chae灢
rophyloides)以及阔鞘堇菜组的V灡magnifica
(BS=100,PP=1灡00)。从形态上看,裂叶堇菜
组的托叶1/2以上部分均与叶柄合生;阔鞘堇菜
组仅V灡magnifica具有托叶合生的性状。它们与
合生托叶组均具有托叶1/2以上与叶柄合生的共
征,而表现出很近的亲缘关系。此结论与光谱分
析结果 (李连方和尹祖棠,1991)相吻合。此外,
我们推测裂叶特征不足以作为建立裂叶堇菜组的
依据,裂叶堇菜组很可能是合生托叶组的成员。
建议把裂叶堇菜组放至合生托叶组之下更合理。
484暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
图2暋4个重要性状绘制于由cpDNA与ITS合并序列构建的贝叶斯系统树
A.染色体数目;B.茎类型;C.托叶类型;D.花柱类型
Fig灡2暋A50% majority灢ruleconsensustreewasobtainedfromBayesiananalysesbasedonthe
combinedcpDNA &ITSdatamatrix,ontowhichfourcharactershavebeenmapped
A.Chromosomenumber;B.Stemtype;C.Stipuletype;D.Styletype
但作为ser灡Pinnatae(陈又生,2006)的处理还
是作 为 亚 组 处 理 (孙 坤 等,1997;周 劲 松,
2008),则有待进一步研究。
3灡2灡3暋鸟嘴堇菜组与堇菜组的亲缘关系暋堇菜
组与鸟嘴堇菜组聚于一支。与其他类群相比,这
两组具有钉帽状柱头,钩状喙,染色体基数为x
=10等非同塑性的共有衍征,而表现出较近的
亲缘性。
3灡2灡4暋阔鞘堇菜组与双缘柱头堇菜组的亲缘关
系暋阔鞘堇菜组与双缘柱头堇菜组成为一姐妹类
群,与合生托叶组的亲缘关系较远。因此不支持
孙坤等 (1997)通过数量分类学研究把阔鞘堇菜
组并入合生托叶组的处理。阔鞘堇菜组与双缘柱
头堇菜组除了染色体2n=24、柱头具有短喙等
共征外,这两组的形态差异较大,具有较多的自
衍征,而表现出一定的演化独立性。这可能是基
因水平进化与形态特征演化不同步的结果。
3灡3暋堇菜属性状演化的探讨
本研究把各个形态性状变化分别标注在BI
树上,但适用于堇菜属系统发育分析的同源性状
有限,只能得出4个具有一定规律的性状分布
图。由此说明堇菜属属于形态分化水平较高的类
群,组间及种间均存在着广泛的变异。这些变异
在组间往往交叉发生,给该属的性状演化研究带
来很大困难。但通过对性状分布图的详细分析,
仍然可以得到有启示意义的推论。
本研究的茎状分布图 (图2:B)表明:直
立茎较匍匐茎、莲座状茎 (叶基生)原始。堇菜
5846期暋暋暋梁冠欣和邢福武:堇菜属组间的系统发育与亲缘关系:基于trnL灢trnF、psbA灢trnH、rpL16...暋暋暋
属起源于南美洲安第斯山脉,并迁移至北温带地
区 (Clausen,1929)。根据 Raunkiaer (1934)
生活型分布规律推测,堇菜属类群为适应较高纬
度地区的气候可能由地上芽 (直立茎),逐渐向
地面芽匍匐茎、莲座状茎 (叶基生)演化。因
此,本文支持Balard (1996)关于堇菜属茎演
化的观点。
托叶的形状、大小、质地及着生方式是堇菜
属分类学研究的重要性状。在本研究中 (图2:
C),托叶边缘长流苏状以及托叶1/2~3/4合生
的性状分布集中性说明两者分别是鸟嘴柱头堇菜
组与合生托叶组演化路线的性状标志。目前此推
论仅建立在本研究的分子系统树与性状分布的联
合分析上,其合理性还有待更多的取样和进一步
的分析验证。
在演化关系上,堇菜属是堇菜科类群中演化
程度最高的骨干大支 (Clausen,1951;吴征镒
等,2003)。本研究所选用的外类群的花柱均具
有无喙的祖征。另外,柱头无喙的V灡biflora与
V灡orientalis靠近系统树的基部 (图2:D)。因
此我们推测堇菜属的花柱样式从柱头无喙演化至
柱头有喙。
另外,花柱分布图 (图2:D)也显示:堇
菜属类群从柱头简单 (上部二裂)演化至柱头复
杂 (柱头头状,有乳头状凸起或簇生须毛),再
趋向于柱头简化 (柱头平坦或微凹,两侧具有边
缘)。在基于形态学与细胞学的研究中,Clausen
(1929)认为biflora灢sarmentosa是Chamaemel灢
anium 类群中最原始的物种,即柱头二裂,无喙
的 V灡biflora 比 柱 头 簇 生 须 毛, 无 喙 的
V灡orientalis较为原始。此外,Beattie (1974)
在研究堇菜属传粉机制中发现适应腹面触柱式
(sternotribe)花部结构的簇生须毛为传粉者起
到触觉导向作用,与背面触柱式 (nototribe)的
花部结构 (柱头趋于简化)相比更为原始。本研
究的花柱样式演化趋势与Clausen (1929),Be灢
attie (1974)的推论相吻合。
3灡4暋分子数据、细胞学证据与形态资料联合分
析的可靠性
本文将分子数据、细胞学证据与形态资料联
合分析运用于堇菜属系统发育及性状演化的研
究。对于此方法的可靠性值得探讨。
关于形态性状与分子性状如何联合应用的问
题尚在争论 (Donoghue等,1992)。目前,利用
性状分布标注在分子系统树来探讨性状分化样式
的方法已成功应用于植物分子系统学的研究
(Zimmer等,2002;Ji等,2006)。本研究在堇菜
属众多形态性状中,筛选了4个在分子系统树分
布具有一定规律性的性状,为堇菜属性状演化以
及系统关系提供了清晰明了的描述。由此获得的
推论与前人的研究成果 (Clausen,1929;Raun灢
kiaer,1934;Beattie,1974;Balard,1996)具
有一致性。相信随着采样与形态性状、分子数据
的增加,堇菜属物种的起源、性状演化规律将日
益明了。
致谢暋广州中医药大学周劲松博士以及中科院华南植物
园龚琴、潘雅书协助野外采集工作;中科院武汉植物园
李大卫博士、孙伟博士等在本文的分子生物学实验中给
予指导;中科院华南植物园涂铁要博士、匡延凤博士在
本文数据处理上提供帮助。
暡参暋考暋文暋献暢
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