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五味子科的系统发育:核糖体 DNA ITS区序列证据
刘　忠1　汪小全1＊　陈之端1　林　祁2　路安民1
(1.中国科学院植物研究所系统与进化植物学开放研究实验室 , 北京 100093;2.中国科学院植物研究所标本馆 , 北京 100093)
关键词:　五味子科;系统发育;ITS
中图分类号:Q941　　　文献标识码:A　　　文章编号:0577-7496(2000)07-0758-04
The Phylogeny of Schisandraceae Inferred from Sequence Analysis
of the nrDNA ITS Region
LIU Zhong1 , WANG Xiao_Quan1＊ , CHEN Zhi_Duan1 , LIN Qi2 , LU An_Ming1
(1.Laboratory of Systematic and Evolutionary Botany , Institute of Botany , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100093, China;
2.Herbarium of Institute of Botany , The Chinese Academy of Sciences , Bei jing 100093 , China)
Abstract:　The Schisandraceae is one of the most important taxa for understanding the origin and evolution of
primitive angiosperms due to its basal position in the recent cladograms of the angiosperm based both on several
gene sequences and on morphological characters , but phylogenetic relationships within the family are still unre-
solved.The sequences of nrDNA ITS region of 15 species representing four sections of Schisandra Michx., two
sections of Kadsura Kaempf.ex Juss.and one outgroup , Illicium fargesii Finet et Gagnep., were used to re-
construct the phylogeny of Schisandraceae.Fourteen most parsimonious trees(Length=259 , CI=0.934 and
RI =0.889)were obtained from the analysis with I.fargesii as the outgroup.In the consensus tree , the
genus Schisandra was found to be divided into three clades.Sect.Pleiostema formed a clade together with
sect.Maximowiczia , sect.Sphaerostema was weakly supported to be the sister group of a clade comprising S.
bicolor var.tuberculata and Kadsura species.In particular , S .bicolor var.tuberculata , a species of sect.
Schisandra , was nested within Kadsura.It seems from this result and the morphological characters that
Schisandra might not be a monophyletic group.According to the present molecular phylogeny , both elongated
hypocarpium and deciduous habit originated independently at least twice in the Schisandraceae , and therefore ,
the value of the present morphological characters used in the classification of the family Schisandraceae should
be reevaluated.
Key words:　Schisandraceae;phylogeny;ITS
　　形态和分子证据表明 , 五味子科(Schisan-
draceae)是被子植物中最基部的分支之一[ 1-4] ,而在
传统的分类系统中 ,五味子科一直被认为是木兰亚
纲中较特化的类群[ 5-8] 。两种截然不同的观点导致
五味子科的系统位置和在被子植物起源演化上的意
义也截然不同 ,使得该类群成为目前被子植物系统
学研究中的关键类群之一而倍受关注 。然而 ,五味
子科科内的系统发育研究却很少。本研究首次分析
了五味子科(14 个种分别代表 2 属 6 组 , 按照
Smith[ 9]的系统)核 DNA ITS 区的序列 ,在此基础上
结合一些重要的形态性状 ,探讨了科内的谱系发生
关系 。
1　材料和方法
实验材料见表 1。DNA 提取及 ITS 区扩增参照
汪小全和李振宇[ 10] 、LIU et al[ 11] 。测序反应在 PE
公司9600型PCR仪上进行 , 反应程序为:94 ℃变性
10 s ,55 ℃退火 5 s ,60 ℃延伸 4min , 25个循环 ,反应
体积为10 μL。用 PAUP3.1.1进行分析时 ,第一种
分析以华中八角(Illicium fargesii Finet et Gagnep.)作
外类群 ,第二种分析以南五味子属(Kadsura Kaempf.
ex Juss.)作外类群 ,最简约树用分支界线法(branch
and bound)寻找。
2　实验结果
本文测定的各种植物的 ITS 区(含 ITS1 , 5.8S
收稿日期:2000-05-17
基金项目:国家自然科学基金(39630030, 39930020);中国科学院生物分类区系特别支持费。Foundation items:The National Natural Science Founda-
tion of China(39630030, 39930020);the Grant for Systematic and Evolutionary Biology , the Chinese Academy of Sciences.
＊通讯作者。Author for correspondence.E_mail:.
植　物　学　报　2000 , 42(7):758-761 　 　 　 　 　 　 　
Acta Botanica Sinica
rDNA和 ITS2)序列已存于GenBank中(表 1 ,GenBank
accession No.AF263435 ～AF263449)。
五味子科植物 ITS1的长度范围为282 ～ 285 bp ,
ITS2为227 ～ 233 bp , 5.8S rDNA为 162 ～ 163 bp(重
瓣五味子(Schisandra plena)和铁箍散(S .propinqua
var.sinensis)缺失一个碱基),整个 ITS 区的长度范
围为 672 ～ 680 bp。排列后的序列经 PAUP3.1.1分
析得到 14种五味子科植物以及华中八角各类群间
的绝对遗传距离和相对遗传距离(表 2)。
表 1　实验材料及其来源
Table 1　The origin of materials used in the research
Taxon(Abbreviation) Voucher Locality GenBank accession No.
Schisandra
　sect.Pleiostema
　　S.henryi(HENR) Liu Zhong 97169 Dujiangyan , Sichuan AF263435
　　S.pubescens(PUBE) Lin Qi 984 Nanchuan , Chongqing AF263436
　　S.sphenanthera (SPHE) Liu Zhong 97183 Maowen , Sichuan AF263437　　S.viridis(VIRI) Lin Qi 975 Hengshan , Hunan AF263438
　　S.glaucescens(GLAU) Liu Zhong 99076 Nanchuan , Chongqing AF263439
　　S.rubriflora (RUBR) Liu Zhong 99083 Nanchuan , Chongqing AF263440
　sect.Maximowiczia
　　S.chinensis(CHIN) Liu Zhong 99087 Mentougou , Beijing AF263441
　sect.Schisandra　　S.bicolor var.tuberculata(BICO) Liu Zhong 99088 Jiangyong , Hunan AF263442
　sect.Sphaerostema
　　S.plena(PLEN) Liu Zhong 99053 Jinghong , Yunnan AF263443
　　S.propinqua var.sinensis(PROP) Lin Qi 985 Nanchuan , Chongqing AF263444
Kadsura
　sect.Cosbaea　　K .coccinea(COCC) Lin Qi 972 Guangzhou , Guangdong AF263445
　　K .anamosma(ANAM) Liu Zhong 99012 Mengla , Yunnan AF263446
　sect.Kadsura
　　K .heteroclita (HETE) Li Zhen_Yu 11138c Nanchuan , Chongqing AF263447
　　K .longipedunculata(LONG) Lin Qi 971 Guangzhou , Guangdong AF263448
Illicium fargesii (ILLI) Liu Zhong 99079 Nanchuan , Chongqing AF263449
Voucher specimens are deposited in PE or IBSC.
表 2　类群间的遗传距离
Table 2　Pairwise distances between taxa used in the present study
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 HENR - 0.003 0.010 0.013 0.006 0.006 0.013 0.045 0.032 0.038 0.067 0.041 0.047 0.041 0.255
2 PUBE 2 - 0.007 0.010 0.003 0.003 0.010 0.045 0.032 0.038 0.067 0.041 0.047 0.041 0.255
3 SPHE 7 5 - 0.009 0.004 0.007 0.015 0.050 0.036 0.042 0.071 0.045 0.051 0.045 0.257
4 VIRI 9 7 6 - 0.007 0.010 0.017 0.052 0.039 0.045 0.074 0.048 0.054 0.048 0.258
5 GLAU 4 2 3 5 - 0.003 0.010 0.045 0.032 0.038 0.067 0.041 0.047 0.041 0.254
6 RUBR 4 2 5 7 2 - 0.013 0.048 0.035 0.041 0.070 0.044 0.050 0.044 0.257
7 CHIN 9 7 10 12 7 9 - 0.047 0.034 0.039 0.069 0.041 0.048 0.042 0.255
8 BICO 31 31 34 36 31 33 32 - 0.034 0.041 0.025 0.039 0.004 0.038 0.258
9 PLEN 22 22 25 27 22 24 23 23 - 0.006 0.051 0.028 0.031 0.025 0.259
10 PROP 26 26 29 31 26 28 27 28 4 - 0.058 0.035 0.038 0.032 0.262
11 COCC 46 46 49 51 46 48 47 17 35 40 - 0.055 0.020 0.055 0.273
12 HETE 28 28 31 33 28 30 28 27 19 24 38 - 0.035 0.006 0.264
13 ANAM 32 32 35 37 32 34 33 3 21 26 14 24 - 0.035 0.258
14 LONG 28 28 31 33 28 30 29 26 17 22 38 4 24 - 0.264
15 ILLI 17 175 176 177 174 176 175 177 178 180 187 181 177 181 -
Below diagonal:Absolute distances;Above diagonal:Mean distances.The abbreviations are the same as in Table 1.
　　以华中八角为外类群 ,用分支界线法寻找得到
14个最简约树 ,简约树长度为 259 步 ,一致性指数
(CI)和维持性指数(RI)值分别为 0.934 和 0.889。
利用 14个最简约树获取严格一致树 ,用 Bootstrap分
析得各分支的支持强度 ,结果见图 1。分支图分为
两大支:Ⅰ .a 支由五味子属(Schisandra)的多蕊五
味子组(sect.Pleiostema)和少蕊五味子组(sect.
Maximowiczia)组成 ,支持强度为 87%;Ⅱ.b 、c 、d 支
则包含南五味子属的种和五味子属的部分种 ,其中
重瓣五味子和铁箍散聚为一支(支持强度为 97%)
(图 1中 b 支),瘤枝五味子(S.bicolor var.tubercula-
ta)与中泰南五味子(K .anamosma)与黑老虎(K.
coccinea)聚为一支(支持强度为 91%)(图 1 中 c
支),南五味子(K .longipedunculata)和异形南五味
子(K.heteroclita)聚为一支(支持强度为 99%)(图 1
中 d支),这 3个分支各自的支持强度都非常高 ,但
它们组合在一起的支持强度却不高。
将华中八角从分析中去掉 ,以南五味子属作外
类群时 ,也得到 14 个最简约树 ,简约树步长=88 ,
CI=0.943 , RI =0.965。在严格一致树上 ,除瘤枝
7 期 刘　忠等:五味子科的系统发育:核糖体 DNA ITS 区序列证据 759　
五味子聚在南五味子属中外 ,五味子属的其他种聚
为一支 ,并得到 Bootstrap分析的 91%支持(图2)。
图 1.　由 ITS 区序列分析得到的14个步长相等的最简约树
的严格一致树。
Fig.1.　The strict consensus tree of 14 equally most parsimonious
trees constructed from ITS sequences.
Each of the shortest trees has 259 steps with CI=0.934 and RI=
0.889.Numbers above the branches are bootstrap values.Illicium
fargesii was used as the outgroup.
图2.　以南五味子属的四个种为外类群 ,基于 ITS 区序列分
析得到的 14个步长相等的最简约树的严格一致树。
Fig.2.　The strict consensus tree of 14 equally most parsimonious
trees based on ITS sequence analysis with four species of Kadsura as
outgroups.
Figures above the branches are bootstrap values.
3　讨论
自1831年Don建立五味子科以来 ,不同的学者
给予它不同的分类等级 ,或者作为一个独立的科 ,或
者作为一个亚科 、族等置于诸如番荔枝科(An-
nonaceae)、防己科(Menispermaceae)、木兰科(Magnoli-
aceae)、芍药科(Paeoniaceae)等不同的科中[ 9] 。但对
于五味子科的组成成员 ,都认为它有两个基本类群 。
主要依据是果期花托是否延长 ,即花托不延长的南
五味子属和花托延长的五味子属。从 ITS序列分析
的结果来看(图 1),五味子属的成员被分割为 3 个
不同的群:多蕊五味子_少蕊五味子群(即 sect.
Pleiostema 和 sect.Maximowiczia)、北美五味子群(即
sect.Schisandra)(瘤枝五味子为代表)和团蕊五味
子群(即 sect.Sphaerostema)。南五味子属的 4个种
也分成 2个群。值得注意的是 ,瘤枝五味子聚在南
五味子属内。从分支图图 1看 , a、b 两支包涵的是
五味子属的成员 , d支为南五味子属成员 ,而 c支则
涵盖了两个属的类群 。Bootstrap 分析显示 ,这些支
均获得很高的支持强度 ,说明每一个支内各成员聚
在一起是自然的。而不同的支聚在一起仅得到很低
的支持强度则说明它们相互之间的关系尚不明确 ,
也就是说 ,尽管 b支聚在了第二个大支内 ,却并不表
示它一定是南五味子属的类群 ,它可能仍是五味子
属的类群 ,只不过与 a 支所代表的五味子属诸类群
之间关系较远 ,本文中仍将它作为五味子属成员。
但有一点可以肯定 ,瘤枝五味子和南五味子属的关
系是较为密切的 ,并由此说明两属之间存在着交叉
和重叠 。这意味着现行的五味子属和南五味子属可
能都不是单系类群 。这一点在另一个分析中也得到
了进一步的说明(图 2)。在图 2中未能得到如图 1
的两个大支 ,但上述各个不同的群所构成的支依然
可辨 ,并且各支聚在一起得到的支持强度显著提高。
这一方面说明用八角科(Illiciaceae)作外类群不十分
合适 ,另一方面则进一步表明五味子属和南五味子
属之间的关系非常密切 。
花发育形态学的研究结果显示 ,五味子属植物
雄花的形态发生有 3种基本式样:柱托型(columnar_
torus type)、平托型(flattened_torus type)和球托型
(spherical_torus type)。多蕊五味子组_少蕊五味子
组 、北美五味子组和团蕊五味子组分别为其代表。
这 3种式样在花发育后期分异极大 ,使得它们成熟
花的形态迥然不同 ,反映出这 3个群可能在演化的
早期就已分道扬镳而各自走上不同的演化路线 。后
两种式样是前一种的衍生类型[ 12 ,13] 。南五味子属
在成熟雄花的形态上与五味子属非常相似 ,它们最
原始类群的雄花皆具柱状花托 ,雄蕊数目较多而不
恒定 ,雄蕊仅基部合生;较进化类群则均表现出花器
官组织增生膨大和合生程度加大的演化趋势 ,只是
两个属表现的形式不同。在五味子属中 ,花托的增
生膨大是最显著的衍征;雄蕊在数目减少的同时 ,药
隔变大 ,与花托的合生加剧 。而在南五味子属 ,雄蕊
的数目也是由多变少 ,药隔由棒状变为宽厚的倒梯
形 ,雄蕊由基本离生到部分合生 。可见 ,雄花形态在
五味子属和南五味子属这两个类群中是同塑进化
(homoplasy)的。
孢粉学证据也显示两个属有很近的亲缘关系。
760　 植　物　学　报　　Acta Botanica Sinica 42 卷
Praglowski[ 14] 、Walker 和 Doyle[ 15] 认为在八角目(Illi-
ciales)中 ,八角科全部为 3 沟型花粉 ,五味子科则存
在3沟和 6沟两种类型花粉;3沟型为祖征 ,6 沟型
为衍征 。在五味子科中 ,只有多型类群 ———五味子
属多蕊五味子组的大花五味子(S.grandiflora)群具
3沟花粉 ,其他所有的五味子属植物和全部南五味
子属植物均具 6沟花粉 。如果仅凭花粉形态 ,无法
区分五味子属和南五味子属。从花粉形态证据也得
不到五味子属或南五味子属是单系类群的结论。
形态学 、孢粉学证据与基于 ITS 区序列分析得
到的分子证据是相吻合的 ,均显示现行的五味子属
和南五味子属可能都不是单系类群 ,成熟果实的形
态没有反映出它们之间的谱系发生关系 。这一点在
瘤枝五味子得到了具体体现。在分类上 ,二色五味
子(S .bicolor)(瘤枝五味子为其变种)与北美五味
子(S.glabra)和 S .repanda 组成五味子属的北美
五味子组[ 9] 。作为五味子属的成员 ,它们都具有该
属的基本特征 ,即花托在果期延长。 ITS 区序列分
析的结果却显示(图 1 、2),瘤枝五味子总是和南五
味子属聚在一起 ,并得到很高的支持强度。而花形
态和孢粉形态的研究结果也表明 ,瘤枝五味子和南
五味子属聚在一起是完全可能的。因此 ,五味子科
中的分属性状 ———雌花托在果期延长 ,可能具有不
同的来源 。北美五味子组所具有的长果托这一形态
性状与五味子属其他类群的长果托是两次独立起源
的结果。
关于常绿和落叶的生长习性 ,在五味子科中可
能也有多种来源途径而性质不一。如果图 1所显示
的两大支确立 ,则 a支为落叶类群 ,而 b 、c 、d三支所
构成的大支中 ,只有瘤枝五味子为落叶藤本 ,其他均
为常绿藤本 。因此 ,可以设想瘤枝五味子的落叶习
性是从常绿性的南五味子类群中衍生获得的 ,而 a
支中的五味子类群则在从祖先类群分化出来时就已
丢失常绿性成为落叶藤本 。如果 b支属于五味子属
成员 ,则两个属中皆出现常绿和落叶的习性。不论
从哪个角度讲 ,五味子科常绿和落叶的生长习性都
可能是不同的来源。
综上所述 ,对于如何认识五味子属和南五味子
属的系统关系 ,还需要对各方面性状做更细致的观
察和更深入的理解 ,以作出合理的解释。澄清瘤枝
五味子(包括北美五味子组)的系统位置是解决五味
子科系统发育的关键 。另外 ,重瓣五味子和铁箍散
的系统位置也需进一步研究。
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(洪德元院士推荐)(责任编辑:李长复)
7 期 刘　忠等:五味子科的系统发育:核糖体 DNA ITS 区序列证据 761