全 文 ：文章编号: 1001 － 4675(2011)05 － 0849 － 05
干旱半干旱地区蓼科 4 属植物的
系统发育关系研究
*
孙延霞1，2， 张明理1，3
(1．中国科学院 新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011;2． 中国科学院 研究生院，北京 100049;
3． 中国科学院 植物研究所，北京 100093)
摘 要:提取蓼科木蓼属(Atraphaxis)、沙拐枣属(Calligonum)、翅果蓼属(Parapteropyrum)和双翅果蓼属(Pteropy-
rum)蓼科 4 属植物的总 DNA，通过聚合酶链式反应(PCR) ，扩增其叶绿体基因片段 atpB-rbcL。atpB-rbcL基因间区
长约 900 bp，已被广泛应用于属间系统发育关系的研究。运用 PAUP和 Bayesian软件，通过最大简约法、最大似然
法和贝叶斯分析，建立系统发育树结果显示:4 属中沙拐枣属和双翅果蓼属存在最近亲缘关系;而特产于中国西藏
的翅果蓼属和其他 3 属关系较远;另外，沙拐枣属下 4 个组中基翅组、刺果组和翅果组聚于一小进化枝下，与泡果
组相区别。
关键词:蓼科;叶绿体基因;atpB-rbcL;系统发育;干旱区
中图分类号:Q943． 2 文献标识码:A
木蓼属(Atraphaxis)、沙拐枣属(Calligonum)、翅
果蓼属(Parapteropyrum)和双翅果蓼属(Pteropyrum)
均生长于干旱或半干旱环境中〔1〕。木蓼属主要分
布于北非、欧洲西南部、亚洲西部和西伯利亚东部，
全世界约 25 种，中国产 11 种〔2 － 3〕;沙拐枣属主要分
布在亚洲、欧洲南部和非洲北部〔4〕，全世界约 35 种，
中国产 23 种〔2〕;翅果蓼属分布在中国西藏的特有单
种属〔2，5〕;双翅果蓼属有 3 ～ 4 种，主产于西南亚和
中东地区〔6〕。在中国，新疆是沙拐枣属和木蓼属的
主要分布区，沙拐枣属有 3 /4 产于新疆〔7〕;中国产的
11 种木蓼中，除了东北木蓼，其余 10 种(包括 1 个
栽培种)均可在新疆找到〔2〕。
木蓼属、沙拐枣属和双翅果蓼属因形态上的相
似，曾被归为一个族(木蓼族)〔8〕。李安仁 1981 年
于中国西藏发现新属翅果蓼属，该属在形态上与双
翅果蓼属极相近〔5〕，故木蓼属、沙拐枣属、双翅果蓼
属和翅果蓼属一同被定义为木蓼族〔1，2，9〕。关于 4
属的关系，在形态学上(一般形态、花粉、胚胎)所得
结论多支持李安仁的观点，认为翅果蓼属和双翅果
蓼属很相似，难以区分〔5，10〕，也有双翅果蓼属和木蓼
属关系较近〔11 － 12〕的报道，或双翅果蓼属更接近于沙
拐枣属〔6〕。随着分子生物学的发展，分子生物学技
术逐渐被应用于植物的系统学研究。对于 4 属，前
人基于分子证据得出的结论主要有:木蓼族不是一
个自然类群;双翅果蓼属和沙拐枣属存在最近系统
发育关系〔13 － 14〕;木蓼属、沙拐枣属是两个自然类
群〔14〕。
然而，在总结前人工作时发现:形态学方面，前
人在 4 属关系上存在严重分歧，需要结合分子生物
学去进一步验证;分子生物学方面，前人的工作多着
眼于较高分类等级〔13〕或仅限于 4 属中个别属的研
究〔14〕，以探讨 4 属关系为目的的工作几乎没有。4
属在传统分类学中被划为一个族，故用分子生物学
的手段去探讨 4 属的系统发育关系有着其内在的必
要性。植物叶绿体基因组(cpDNA)为闭环双链
DNA，约占植物总 DNA 的 10% ～ 20%，其中的基因
间区 atpB-rbcL长约 900 bp，多用于科间、族间或属
间的系统学研究〔15〕。本研究利用 CTAB〔16〕方法提
取 4 属的总 DNA后，通过聚合酶链式反应(PCR)扩
增 atpB-rbcL片段，然后分别进行 DNA 测序，所得 4
属基因序列用于系统发育分析，生成可反映 4 属关
系的系统发育树。
第 28 卷 第 5 期
2011 年 9 月
干 旱 区 研 究
ARID ZONE RESEARCH
Vol． 28 No． 5
Sep． 2011
* 收稿日期:2010 － 07 － 16; 修订日期:2010 － 11 － 04
基金项目:中国科学院新疆生态与地理研究所百人计划支持项目(0876061) ;干旱区生物地理与生物资源重点实验室资助
作者简介:孙延霞(1984 －) ，女，山东聊城人，硕士研究生，主要从事植物的分子系统学研究． E － mail:sunyanxia322@ 163． com
通讯作者:张明理． E － mail:zhangml@ ms． xjb． ac． cn
DOI:10.13866/j.azr.2011.05.016
本研究旨在 4 属形态学方面所做工作的基础
上，通过分子序列数据，为 4 属的系统发育关系提供
新的分子证据。
1 材料与方法
1． 1 材料
4 属共选取了 8 个种:木蓼属 2 个种，沙拐枣属
4 个种，翅果蓼属和双翅果蓼属各 1 种。所得植物
材料中除双翅果蓼属取自科马洛夫植物园植物标本
馆外，其他均于 2008 － 2009 年采于中国野外或植物
园(表 1)。
表 1 植物材料的分类、出处
Tab． 1 List of taxa and sources of plant material
属 种 采集地(采集人及采集号)
木蓼属
(Atraphaxis)
东北木蓼
(A． manshurica) 甘肃兰州(陈明忠 0872)
沙木蓼
(A． spinosa)
甘肃民勤植物园
(陈明忠 0873)
沙拐枣属
(Calligonum)
无叶沙拐枣
(C． aphyllum)
吐鲁番植物园
(张明理 0881)
密刺沙拐枣
(C． densum)
吐鲁番植物园
(张明理 0883)
泡果沙拐枣
(C． junceum)
吐鲁番植物园
(张明理 0884)
沙拐枣
(C． mongolicum)
吐鲁番植物园
(张明理 0886)
翅果蓼属
(Parapteropyrum) 翅果蓼(P． tibeticum) 西藏(周忠泽 0880)
双翅果蓼属
(Pteropyrum) P． aucherii
土库曼斯坦(科马洛夫植
物园植物标本馆)
1． 2 DNA提取与 PCR扩增
用改良的 CTAB 方法〔16〕，从硅胶迅速干燥的叶
片或标本叶片中提取4属各自的总DNA，通过聚合酶
链式反应(PCR)扩增 atpB-rbcL 片段。PCR 反应体
系:0． 25 μL Ex Taq，2． 5 μL 10 × Ex Taq buffer (Mg2 +
浓度为 25 mM) ，2． 0 μL dNTP mix (4 种碱基浓度均
为 2． 5 mM) ，正反向引物(5-ACATCTAGTACCGGAC-
CAATGA-3，5-AACACCAGCTTTGAATCCAA-3)各
1 μL(5 μmol /μL)、DNA模板 0． 5 ～ 1 μL，添加灭菌
的 ddH2O至 25 μL。PCR扩增条件:① 94 ℃预变性
2 min;② 94 ℃变性 30 s;③ 51 ℃退火 30 s;④ 72
℃延伸 1 min;⑤ 72 ℃后延伸 10 min。② ～④重复
30 个循环。PCR产物的纯化、测序工作均由上海生
工生物技术公司完成。
1． 3 DNA序列的校对与系统分析
所得 4 属 DNA序列先用 CLUSTAL X〔17〕软件进
行校对，再进行手动校对。校对好的序列采用最大
简约法、最大似然法和贝叶斯方法进行系统发育分
析。最大简约法和最大似然法均在 PAUP* 4． 0
b10〔18〕软件下进行，贝叶斯分析则利用了 MrBayes
3． 0 软件〔19〕。在进行最大简约法分析时采用启发
式搜索的方法〔20〕，平等对待所有碱基，并通过 boot-
strap分析〔21〕(1 000 个随机重复)获得最大简约树
中各进化枝的支持率。在最大似然法和贝叶斯分析
中，我们进行了模型检验。
1． 4 形态特征分析
运用 paup软件，对 4 属的 10 个形态学特征(表
2)进行简单分析，生成可直观显示 4 属形态学的关
系树。
表 2 4 属的形态特征
Tab． 2 The morphological characters of four genera
形态特征
#1 气孔类型:不等型(0) ;平列型(1) ;无规则型(2)
#2 叶序:互生(0) ;簇生(1)
#3 花粉大小:中等(0) ;较小(1)
#4 花粉外壁纹饰:条网状(0) ;网穴状(1) ;带刺细网状(2)
#5 花粉形状:长球形(0) ;近长球形(1) ;近圆球形(2)
#6 雄蕊数:6 (0) ;8 (1) ;12 ～ 18 (2) ;6 ～ 8 (3)
#7 花丝形状:扁形(0) ;圆柱形(1)
#8 花序:总状(0) ;花序簇生(1) ;圆锥花序(2)
#9 坚果:无翅(0) ;有翅(1) ;有刺(2)
#10 胚:弯曲 (0) ;直(1)
表 3 4 属的形态特征矩阵
Tab． 3 Morphological data matrix of four genera
属 名 形态特征矩阵
木蓼属 0000aa0000
沙拐枣属 1001a211b1
双翅果蓼属 2111211111
翅果蓼属 2101110011
何首乌属 ?013b30c01
2 结果与分析
2． 1 atpB-rbcL序列分析
本实验检测了 4 属共 8 个种的 atpB-rbcL序列，
058 干 旱 区 研 究 28 卷
4 属 atpB-rbcL长度存在较大差异。其中，沙拐枣属
最短(766 bp) ，木蓼属最长(855 bp) ，可见 4 属在
atpB-rbcL 这段序列中发生了频繁的缺失和插入。
在所测 4 属的 atpB-rbcL中共有 139 个变异位点，其
中 45 个位点具有系统发育信息。
2． 2 4 属的系统发育分析
以蓼科中的冰岛蓼属(Koenigia)为外类群。启
发式搜索导致了 1 个最大简约树，树长为 150 steps
(CI = 0． 960 0，RI = 0． 925 9)。在模型检验过程中
产生了 GTR + I模型。
＞ 50% 的 MP /ML /Bayesian的支持率被标注在进化枝上
图 1 对 atpB-rbcL进行贝叶斯分析得到
的进化树的拓扑结构
Fig． 1 Topological structure from Bayesian inference of the
atpB-rbcL sequence
首先，沙拐枣属和双翅果蓼属聚在同一枝(A)
里(MP /ML /Baye = 84 /74 /0． 99) ，在 4 属中显示出
最近的系统发育关系。沙拐枣属、双翅果蓼属和木
蓼属又聚在一个大的进化枝(B)下(MP /ML /Baye =
76 /61 /0． 96) ，与翅果蓼属区分开来。此外，木蓼属
和沙拐枣属各自以绝对的支持率(MP /ML /Baye =
100 /100 /1． 00)形成了 2 个单系类群，同时在沙拐枣
属内部，沙拐枣(Calligonum mongolicum)、密刺沙拐
枣(Calligonum densum)和无叶沙拐枣(Calligonum
aphyllum)形成一枝(MP /ML =66 /55)。
2． 3 4 属的形态特征关系
蓼科何首乌属(Fallopia)因在形态学上与 4 属
近缘，故被选为外类群。通过图 2 可看到，在 10 个
形态特征中，翅果蓼属和双翅果蓼属共享 6 个，在 4
属中表现出最近亲缘关系。木蓼属和其他 3 属存在
较远亲缘关系。
图 2 对 4 属的形态特征进行进化枝分析得到的树
Fig． 2 The tree obtained from morphological cladistic
analysis of four genera
3 讨 论
3． 1 属间关系
李安仁于 1981 年建立了单种属翅果蓼属。翅
果蓼属与双翅果蓼属在形态上很相似，区别仅在于
翅果蓼属的瘦果顶端急尖，无喙，翅近全缘，不为深
二裂，花序总状〔5〕。光学电子显微镜下观察到的翅
果蓼属与双翅果蓼属的花粉形态特征也难以区分，
两者仅在花粉粒的大小上略有差别〔10〕。另外，结果
部分(图 2)显示的 4 属的形态特征关系中，翅果蓼
属和双翅果蓼属共享了最多的形态特征。然而，翅
果蓼属和双翅果蓼属在形态学上表现出的这种相似
的关系，得不到分子证据的支持(图 1)。在系统发
育树(图 1)中，翅果蓼属与其他 3 属显示出较远的
1585 期 孙延霞等:干旱半干旱地区蓼科 4 属植物的系统发育关系研究
亲缘关系，这种系统发育关系与前人的木蓼属与其
他 3 属存在较远亲缘关系〔1，10〕的观点相冲突。虽
然，4 属的生境均是干旱或半干旱环境，但 4 属中翅
果蓼属的生活环境很特殊，它只生长在中国的西藏
地区，高海拔是这一地区的显著特点。另外，青藏高
原的隆升所带来的气候变化，对生长在其中的植物
的影响，尤其是对植物基因的影响是不可忽视的，翅
果蓼属在分子水平上显示出与其他 3 属较远的亲缘
关系，很有可能是受到了青藏高原特殊环境的影响。
系统发育树(图 1)显示出，4 属中沙拐枣属和
双翅果蓼属表现出最近的系统发育关系。这个结果
与前人的研究结果〔6，13 － 14〕相吻合。我们认为，沙拐
枣属和双翅果蓼属在分子水平上所表现出的这种很
近的亲缘关系，很可能是一种趋同进化，因为沙拐枣
属和双翅果蓼属常见于沙漠，而沙漠极端的生境会
使生于其中的各种植物迫于生存的需要，而形成相
同或相似的适应机制，并在分子水平上有所体现。
3． 2 沙拐枣属属下关系
沙拐枣属下一般分为 4 个组〔2，22〕:泡果组(Sec-
tion Calliphysa)、翅果组(Section Pterococcus)、基翅
组(Section Calligonum)和刺果组(Section Medusa)。
泡果组的果实具薄膜呈泡果状，而其他 3 组的的果
实具翅(翅果组、基翅组)或刺(基翅组、刺果组)。
而恰好在我们的 atpB-rbcL 树中具翅或刺的 3 组形
成了一个亚枝，与果实具薄膜的泡果组区分开来
(图 1)。沙拐枣属下的这种关系是分子生物学与形
态学吻合的一种体现。
总之，在 4 属的关系上，我们提供的分子证据与
前人提供的形态学证据不能很好地吻合，甚至存在
很大的冲突。要想得到进一步验证，则需要对蓼科
4 属进行更广泛的取材和更全面的测序。
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Abstract: Atraphaxis，Calligonum，Parapteropyrum and Pteropyrum are all the genera of Polygonaceae distribu-
ted in arid and semiarid areas． The four genera have many similar characters in morphology． In China，Atraphaxis
and Calligonum are mainly distributed in Xinjiang，and Parapteropyrum is endemic in Tibet． The genus Pteropyrum
including 3 － 5 species can be found in Southwest Asia and Middle East． Total genomic DNA of Atraphaxis，Calli-
gonum，Parapteropyrum and Pteropyrum was extracted from the leaves dried with silica-gel or from herbaria，the
polymerase chain reaction (PCR)was used to amplify the chloroplast DNA atpB-rbcL region． The atpB-rbcL，the
intergenic spacer between atpB gene and rbcL gene，about 900 bp in length，is widely used for the phylogenetic a-
nalysis on generic level． The phylogenetic tree based on the atpB-rbcL sequences reveals that Calligonum shows
closer relation to Pteropyrum，additionally，Parapteropyrum is out of the clade including Calligonum，Pteropyrum
and Atraphaxis． Within Calligonum，Section Calligonum，Section Medusa and Section Pterococcus formed a small
clade，which is distinct from Section Calliphysa．
Key words: Polygonaceae;chloroplast DNA;atpB-rbcL;phylogenetic relation;arid area
3585 期 孙延霞等:干旱半干旱地区蓼科 4 属植物的系统发育关系研究