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Genetic variations in trnL-F sequence and phylogenetic clustering of Lycoris species

石蒜属叶绿体trnL-F序列的变异与系统聚类分析



全 文 :N/NO3Nratiowas25∶75,CPTaccumulationinyoungleavesdisplayedthebestadvantages(thehighestvalueis5.69‰)andincreasedin
theearly30daysoftreatmentandthendeclined.TherewasnoobviousrelationshipbetweenTSBactivityintheyoungleavesandnitrogen
forms.TDCactivityinthestembarkwasthehighestwhenNH+4N/NO

3Nratiowas25∶75,andthechangeofTDCactivityparaleledto
CPTcontentintheyoungleaves.Conclusion:AshorttermtreatmentthatNH+4N/NO

3Nratiowas25∶75maygainhighCPTcontentinthe
youngleavesthroughenhancingtheTDCactivityinthestembarkofC.acuminataseedlings.
[Keywords] Camptothecaacuminata;nitrogenforms;camptothecinmetabolism
[责任编辑 吕冬梅]
[收稿日期] 20070511
[基金项目] 国家自然科学基金项目(30370292);江苏省科技基础
设施建设计划项目(BM2006104)
[通讯作者] 夏冰,Tel:(025)84347022,Email:bingxia@mail.cn
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石蒜属叶绿体 trnLF序列的变异与
系统聚类分析
袁菊红1,2,孙 视1,彭 峰1,冯 煦1,郑玉红1,夏 冰1
(1.中国科学院 植物研究所 南京中山植物园,江苏 南京 210014;
2.江西财经大学 资源与环境管理学院,江西 南昌 330032)
[摘要] 目的:分析比较石蒜属和近缘属植物中国水仙trnL基因的部分序列和trnLtrnF间隔区的完整序列,
为石蒜属物种鉴别和种间亲缘关系分析提供分子佐证。方法:采用 PCR产物直接双向测序法,用 ClustalX181,
MEGA20软件进行序列分析,采用最大简约法(maximumparsimony,MP)构建系统发育树。结果:所测物种的序列
全长在905~1036bp,经排序后,两端切平,得到886bp的整齐序列,所测物种的核苷酸变异位点14个,信息位点
10个,主要在trnL内含子区,这些位点可用于区分石蒜属物种;4个碱基“ATAT”缺失/插入是区别石蒜属与其近缘
植物水仙的显著特征。重建的系统发育树表明:供试的石蒜属物种聚成3类,除稻草石蒜、忽地笑、香石蒜的系统
位置有所不同之外,与经典分类结果基本相符。水仙属2个种形成1个单系类群,表明属间trnLF序列差异明显。
结论:分子系统树支持安徽石蒜是长筒石蒜的变种或杂交种观点,换锦花可能是玫瑰石蒜、红蓝石蒜的杂交母本。
石蒜属种间trnLF序列存在一定变异,是物种鉴别的有效分子标记。
[关键词] 石蒜属;trnLF序列;序列变异;分子鉴别;系统树
[中图分类号]R282.5 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)13152305
  石蒜属Lycoris植物为多年生球根草本,根据其
花型、花色和出叶期等,我国的石蒜资源被划分为
15种2变种,分布全国15个省区,尤以华东地区种
类最多,是其多样性分布中心[1,2]。石蒜属植物不
仅是我国特有球根花卉,而且还是重要的药用植物,
其鳞茎富含多种具有药理活性作用的生物碱,其中
具有显著抑制胆碱脂酶活性的加兰他敏从20世纪
90年代后被用于治疗轻中度老年痴呆症(Alzhei
mer’sdisease,AD)[3]。将石蒜碱进行结构改造制
成的石蒜内铵(AT1840)可治疗妇科肿瘤,对胃癌、
卵巢癌有较好疗效,可与放射治疗同时应用[4]。研
究结果表明,石蒜属种间的生物碱成分存在较大差
异[5],石蒜碱、加兰他敏、伪石蒜碱等含量种间差异
很大[6]。因此,要对石蒜属植物资源进行有效地开
发利用,必须准确地鉴别物种。
由于石蒜属植物花叶不相见的特殊生长发育习
性,鉴别石蒜物种难度很大。分子标记因快速、准确
且不易受环境气候影响,在物种鉴别和分类中发挥
了很大作用。近年来,运用 RAPD,ISSR和 DNA测
序来鉴别石蒜属物种、探讨石蒜属种间亲缘关系和
杂交起源的研究较多[710],它们为石蒜属的分类和
鉴别提供了一些信息。trnLF序列为植物叶绿体基
因组之一,由编码 tRNA的 trnL基因和 trnL(UAA)
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3′外显子至trnF(GAA)之间的基因间区组成[11],这
2个非编码区序列进化速率快、能提供较多的具有
系统学意义的信息位点,多用于较低分类阶元及近
期分化类群间系统发育和种间、品种的鉴别研
究[1214]。水仙属与石蒜属分类位置相近,且中国水
仙鳞茎也含有多种石蒜科生物碱。为此,本实验在
测定石蒜属13种2变种和中国水仙Narcisustazeta
L.var.chinensisRoem的 trnLF序列的基础上,分
析比较石蒜属物种间及其与中国水仙、多花水仙N.
tazeta该序列的变异情况,为石蒜属物种鉴别、种间
亲缘关系分析及阐明石蒜属与近缘水仙属植物系统
关系提供分子依据。
1 材料
实验材料包括石蒜属13种2变种和外类群中
国水仙共20份材料,其编号、类群和采集地等(表
1)。长筒石蒜2、黄长筒石蒜、安徽石蒜1、安徽石蒜
2、中国石蒜和香石蒜由作者亲自采集,经江苏省中
国科学院植物研究所姚淦高级实验师鉴定,其他物
种由汤儆杉博士惠赠。
2 方法
表1 石蒜属13种2变种及外类群中国水仙的基本资料
No. 类群 种名 采集地 采集号 登录号 备注
1 安徽石蒜1 Lycorisanhuiensis 安徽琅琊山 20060803   花色浅黄
2 安徽石蒜2 L.anhuiensis 安徽琅琊山 20060804   花色深黄
3 安徽石蒜3 L.anhuiensis 南京中山植物园 20050802 DQ659164  
4 长筒石蒜1 L.longituba 南京中山植物园 20050803   花被片白色中脉黄色
5 长筒石蒜2 L.longituba 江苏南京汤山 20050804 DQ659165 花色白色
6 长筒石蒜3 L.longituba 南京中山植物园 20060801   花色淡紫红色
7 黄长筒石蒜 L.longitubavar.flava 南京中山植物园 20060802    
8 香石蒜 L.incarnata 南京中山植物园 20050801 DQ659162  
9 鹿葱 L.squamigera 南京中山植物园 20050805    
10 换锦花 L.sprengeri 江苏宜兴 20050806 DQ659169  
11 红蓝石蒜 L.haywardi 杭州植物园 20050807 DQ659170  
12 矮小石蒜 L.radiatavar.pumila 杭州植物园 20050908 DQ659174  
13 石蒜 L.radiata 江苏宜兴 20050909 DQ659167  
14 忽地笑 L.aurea 南京中山植物园 200509010 DQ659171  
15 中国石蒜 L.chinensis 江苏句容 200508011 DQ659163  
16 乳白石蒜 L.albiflora 南京中山植物园 200508012 DQ659168  
17 玫瑰石蒜 L.rosea 南京中山植物园 200509013 DQ659172  
18 稻草石蒜 L.straminea 南京中山植物园 200509014 DQ659173  
19 江苏石蒜 L.houdysheli 南京中山植物园 200509015 DQ659166  
20 中国水仙 Narcisustazetavar.chinensis 福建漳州 20060301 DQ659175 栽培材料
2.1 DNA提取及其检测 选取幼嫩健康的叶片,
采用改良的 CTAB法与 PCR产物纯化试剂盒相结
合提取总DNA,用1%琼脂糖电泳检测DNA的纯度
和浓度。
2.2 trnLF目的带的扩增 PCR扩增引物为 c(5′
CGAAATCGGTAGACGCTACG3′)和 f(5′ATTT
GAACTGGTGACACGAG3′)[11],对供试的 20份种
质进行了PCR扩增。扩增反应体系为50μL,包括
10×PCRbufer5μL,25mmol·L-1MgCl25μL,25
mmol·L-1dNTPs25μL,10μmol·L-1引物 c和 f
各15μL,DNA(10~30ng)25μL,25UTaqDNA
聚合酶,用双蒸水补足50μL。PCR扩增程序:94℃
预变性3min,进入35个PCR循环(94℃变性45s,
60℃退火30s,72℃延伸90s),最后于72℃延伸5
min,4℃保存。
2.3 trnLF目的带的检测及序列测定 PCR扩增
产物经15%琼脂糖电泳检测,确定为目的带且无
杂带干扰、DNA的浓度达到测序要求后,送交上海
英骏生物技术有限公司,各样品均采用正向和反向
测序,以保证测序的准确性,测序引物同PCR引物。
2.4 序列拼接、比对和系统树的构建 用 DNA
MAN软件(Lynnonbiosoftcorporation)进行序列拼
接,然后用 ClustalX181软件进行排序,并根据峰
图进行手工校正。运用MEGA20进行序列分析并
用其中的最大简约法(maximumparsimony,MP)构
建系统发育树,加入 GenBank中的多花水仙(登录
号AY357144)的 trnLF序列,空位(gap)作为缺失
(missing)处理。对分支的可靠性评价使用靴带值
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(bootstrap,1000次重复)分析,统计序列间的碱基
突变位点,计算总的平均遗传距离和碱基颠换数和
转换数的百分率。石蒜属大部分物种的序列已注册
到GenBank(表1)。
3 结果与分析
3.1 石蒜属植物 trnLF序列特征 在所有的被子
植物中,迄今为止报道 trnL(UAA)3′外显子至 trnF
(GAA)之间的基因间区即 trnLtrnF序列长度为
360~470bp[13],其相邻trnL(UAA)内含子约390~
615bp[11],两者一起总长度为750~1085bp。所有
供试的样品PCR产物琼脂糖电泳后在930bp处出
现一目的条带(图 1),测序后得到的序列长度在
905~1036bp。加入多花水仙的 trnLF序列,排序
后两端切平,得到 886bp的整齐序列,其中 trnL
(UAA)内含子长度为529bp,trnLtrnF长度为357
bp,符合上述规律。所测物种的变异位点为14个,
信息位点数 10个,分别占序列总长度 158%和
113%,虽然石蒜属植物的 trnLF序列变异位点和
信息位点偏少,却多于石蒜属11种27个品系的叶
绿体基因matK和atpBrbcL之间的非编码间隔区序
列中的变异位点(前者11个后者仅7个)[10]。供试
物种trnLF序列总的平均遗传距离是032%(其中
颠换 021%,转换 011%),序列碱基组成:A
360%,G156%,C173%,T311%;G+C含量,
329%。
图1 供试样品的trnLF的扩增图谱
1~20.同表1;CK.阴性对照;M.100bpDNAladder
序列比对结果表明石蒜属植物与外类群中国水
仙和多花水仙相比,在序列长度的279~282bp出
现4个碱基“ATAT”缺失/插入,且该缺失/插入发
生在trnL内含子区,这是比对的2个水仙物种与石
蒜属植物最大的区别。2个水仙物种独特的信息位
点7个(6个颠换1个转换),也可用于区分石蒜属
物种。14个变异位点和 10个信息位点中分别有
11,7个在trnL内含子区,而trnLtrnF基因间区富含
polyT,其中有一处连续为8~10个“T”,与花色有一
定相关性,花色由黄色、白色或淡紫红色→深紫红→
红色有递增趋势。如黄色或白色花物种如安徽石
蒜、长筒石蒜、乳白石蒜、江苏石蒜、中国石蒜等为8
个;红蓝石蒜、玫瑰石蒜、香石蒜、石蒜为9个;矮小
石蒜最多10个。此外,石蒜属植物 trnLF序列中
A+T含量高,与中国桫椤科植物、桑树该序列特征
一致[12,13]。实验中发现polyT的存在会增加了测序
的难度,花色为黄色或白色的物种比花色为红色的
物种测序相对容易成功。
3.2 基于trnLF序列的石蒜属植物系统重建 采
用最大简约法,经1000次重复抽样计算,获得了石
蒜属植物的 trnLF序列分子系统树。由树状图可
知,石蒜属物种聚成3类,并得到了73%的自展百
分比。外类群中国水仙和多花水仙构成一个单系,
获得了很高的支持率(自展百分比达99%),表明石
蒜属植物与水仙属植物 trnLF序列差异明显。除
花色纯白的长筒石蒜2以外,花色为黄色或花被片
上有彩色条纹的长筒石蒜与安徽石蒜亲缘关系很
近,玫瑰石蒜、换锦花、稻草石蒜和红蓝石蒜4个种
的遗传差异小。
4 讨论
4.1 trnLF序列变异位点用于物种鉴别 根据
trnLF序列很容易区分水仙与石蒜属植物,石蒜属
内种间trnLF序列变异位点可作为物种鉴别的分
子标记。用以区分种的几个关键位点分别位于序列
的22,214,396,636bp处,在22bp处发生了碱基的
颠换,可能与石蒜属植物花色变异有关,因为供试物
种中除忽地笑以外,同为黄色或白色花的石蒜物种
此位点为“C”,而红色花或花瓣带红色条纹的物种
此位点为“A”,由此可见,该位点基本上可用于区分
石蒜属不同花色的物种。在序列长度的214,636bp
处都发生了“G/A”转换,玫瑰石蒜、红蓝石蒜、换锦
花、稻草石蒜4个种该位点为“G”,本属中其他物种
为“A”,这1个位点的变异,不仅可用来区分外形差
异较大的石蒜物种,而且玫瑰石蒜与石蒜,稻草石蒜
与江苏石蒜等外形相似的物种,凭此位点也可达区
分的目的。396bp处石蒜、矮小石蒜和香石蒜3个
种为“A”,其他种为缺失。本研究还发现在 trnL内
含子区 177bp处,香石蒜与石蒜属其他种在存在
“A/G”变异位点;在497bp处矮小石蒜与其他种发
生了“T/A”颠换,重复测定不同个体也能稳定出现。
因此,这2个位点分别确定为香石蒜和矮小石蒜种
特异性鉴别位点。此外,本研究所测定的中国水仙
的序列与其原种多花水仙相比,同源性非常高,仅在
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   表2 石蒜属植物和外类群水仙trnLF序列的简约信息位点
类群/位点
trnL内含子
22 183 214 226 297 389 396
trnLtrnF间隔区
562 636 850
换锦花 Lycorissprengeri A A G T A T - A G A
稻草石蒜 L.straminea A A G T A T - A G A
红蓝石蒜 L.haywardi A A G T A T - A G A
玫瑰石蒜 L.rosea A A G T A T - A G A
忽地笑 L.aurea A A A T A T - A A A
矮小石蒜 L.radiatavar.pumila A A A T A T A A A A
石蒜 L.radiata A A A T A T A A A A
香石蒜 L.incarnata A A A T A T A A A A
鹿葱 L.squamigera C A A T A T - A A A
江苏石蒜 L.houdysheli C A A T A T - A A A
中国石蒜 L.chinensis C A A T A T - A A A
乳白石蒜 L.albiflora C A A T A T - A A A
长筒石蒜1L.longituba C A A T A T - A A A
长筒石蒜2L.longituba C A A T A T - A A A
长筒石蒜3L.longituba C A A T A T - A A A
黄长筒石蒜 L.longitubavar.flava C A A T A T - A A A
安徽石蒜1L.anhuiensis C A A T A T - A A A
安徽石蒜2L.anhuiensis C A A T A T - A A A
安徽石蒜3L.anhuiensis C A A T A T - A A A
中国水仙 Narcisustazetavar.chinensis A C A C T A C C G C
多花水仙 N.tazeta A C A C T A C C G C
图2 基于叶绿体基因trnLF序列的石蒜属
植物的系统发育树以多花水仙和中国水仙为外类群分支上面
的数字代表1000次重复抽样检测的自展百分比
序列的第531,533,534bp处有3个位点出现了简
并碱基,即“N/G”“N/A”“N/A”,其他碱基相同。
4.2 基于trnLF分子数据的种间关系分析 本研
究中安徽石蒜、长筒石蒜(包括黄长筒石蒜)的序列
完全相同,分子系统树中它们也聚在一类,表明它们
的亲缘关系很近。又因叶绿体基因组为母系遗传,
因此推测安徽石蒜可能是长筒石蒜为母本的杂交
种。ISSR分子标记和 ITS序列分析结果也不支持
传统分类中将安徽石蒜作为一个独立种的观
点[8,9]。本研究中红蓝石蒜、稻草石蒜、玫瑰石蒜和
换锦花4个种在比对的886个碱基中trnLF序列完
全一致,这些种聚成一类获得73%的自展百分比,
表明具有很近的亲缘关系,人工杂交试验表明玫瑰
石蒜和红蓝石蒜是来自矮小石蒜与换锦花的杂
交[15],而本研究中换锦花可能作为杂交母本。
分子系统树显示矮小石蒜、石蒜与香石蒜的亲
缘关系很近,外部形态上,香石蒜花被裂片上有红色
条纹,花被筒较短,花丝紫红色,这些性状与石蒜或
矮小石蒜接近;这3个种的核型都含有22st染色
体。但香石蒜是不是起源于石蒜或矮小石蒜,目前
还缺乏足够的证据。染色体数和核型差异明显的忽
地笑与石蒜、矮小石蒜聚在一类,其原因有待今后进
一步研究。
4.3 trnLF分子系统学与经典分类的矛盾 本研
究中大多数种的归类都体现出 trnLF分子系统学
与经典分类方法的相同之处,但2种分类方法也存
在一些矛盾。如 trnLF分子系统树不支持经典的
石蒜属分亚属的结果;忽地笑、香石蒜、稻草石蒜的
系统学位置等。出现矛盾的原因可能是叶绿体基因
trnLF序列不是外部性状的编码基因,且石蒜属物
种该序列较为保守。尽管如此,石蒜属 trnLF序列
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的变异特征为部分物种的鉴别提供了有力的分子证
据,对阐明石蒜属种间亲缘关系和系统演化也具有
一定理论与现实意义。
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GeneticvariationsintrnLFsequenceandphylogeneticclusteringof
Lycorisspecies
YUANJuhong1,2,SUNShi1,PENGFeng1,FENGXu1,ZHENGYuhong1,XIABing1
(1.InstituteofBotany,JiangsuProvince&ChineseAcademyofSciencesNanjingBotanicalGardenMem.SunYatsen,
Nanjing210014,China;
2.ResourceandEnvironmentManagementInstitute,JiangxiUniversityofFinanceandEconomics,Nanchang330032,China)
[Abstract] Objective:ToidentifysomecloselyrelatedLycorisspeciesandevaluateinterspecificrelationshipsamongthem.
Method:ThecpDNAtrnLFsequenceof20taxarepresenting15speciesofLycorisandNarcissustazaetavar.chinensisasoneout
groupweredeterminedbyusingdirectsequencingofPCRproduct,andtheywereanalyzedbymeansofthesoftwareofCLUSTRALand
MEGA.Result:ThelengthoftrnLFofaltaxawas905~1036bp.Whenthegapswerealwaystreatedasmissing,therewere14var
iablesitesand10parsiminfosites,whichcouldbeusedtoidentifysomespeciesofLycoris.Fournucleotidesinserteions/deletions
weresignificantdiferentamongLycorisandtwospeciesofNarcissus.Phylogenytreewasconstructedwiththemaximumparsimony
methodsbybootstraptest.ThreeinfragenericcladesofalLycorisspecieswereresolved.Theclassificationwasbasicalyconsistentwith
thatofmorphologyexceptforL.longituba,L.aurea,andL.straminea.Conclusion:ThetreesuggestedthatL.anhuiensiscannotbe
takenasanindependentspecies,whileitmaybeofavarietyorahybridofL.longituba.Regardingthehybridoriginspecies,thema
teralparentofL.roseaandL.haywardiwasrevealedtobeL.sprengeri.ThereweresomevariationsinthetrnLFsequence,which
weregoodmolecularmarkersforidentificationspeciesofLycoris.
[Keywords] Lycoris;trnLFsequences;nucleotidevariation;molecularidentification;phylogenetictree
[责任编辑 吕冬梅]
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