全 文 ：荨麻科是双子叶植物金缕梅亚纲的一科。本科
共有 47个属,约 1300种,分布于两个半球的热
带与温带,我国有25个属,352个种,26个亚种,
63变种,3变型,产于全国各地,以长江流域以南
的亚热带和热带地区分布最多,多数种类喜好生于
阴湿环境。该科植物多为草本,稀为灌木,无乳状
汁,茎皮有较长的纤维。该科中许多种类的茎皮中
都富含纤维,如苎麻属、水麻属、紫麻属、水丝麻
属、雾水葛属、蝎子草属、荨麻属、艾麻属、锥头
麻属等都为重要的纤维植物。其中苎麻、青麻和红
火麻是我国南方较为常见的栽培优良纤维植物,在
纺织中和工业生产中都有广泛应用。在苎麻属中还
有很多具有重要经济价值的物种,如青叶苎麻在南
亚地区被广泛的应用于栽培。白面苎麻可用作饲
料,而悬铃叶苎麻又可做药用。除苎麻属外,荨麻
属、蝎子草属、艾麻属、锥头麻属的种子也可用来
榨油,在工业上广泛使用。荨麻属、蝎子草属、艾
麻属的嫩枝叶可以食用,苎麻的叶子可用来养蚕和
做饲料。还有些种类可做药用。花叶冷水花、镜面
草、小叶冷水花、吐烟花等广为栽培观赏用。冷水
花属、楼梯草属、赤车属为南方山坡林下草本植被
常见的建群植物。由此可见,荨麻科植物在我国广
为分布,各属中都存在有许多未被开发利用的重要
种质资源,而这些野生种质资源中蕴藏着丰富的优
异基因,可广泛应用于人类的各项生产活动之中。
因此开展荨麻科植物系统发育和亲缘关系研究,对
荨麻科植物种质资源的搜集、保存、遗传育种与种
质创新等均有重要的理论意义和应用价值。另外,
在荨麻科中有些属的系统发育地位不是很明确,对
于它们的系统位置的划分一直都存在一些分歧。因
此,进一步弄清这些属的系统位置也是必要的。
rbcL基因是用来编码核酮糖-1,5-二磷酸羧
化/加氧酶 (Rubisco,rbc)大亚基的。由于 rbc在
光合作用及光呼吸中所起的关键作用,因此该基因
的进化明显受功能限制,它的编码序列是高度保守
的。rbcL基因目前已广泛用于被子植物从科内、
亚纲内甚至整个种子植物各主要类群之间的系统发
育分析。随着对 rbcL基因研究的深入,如结构和
功能[1]、进化速率[2]及其在植物不同分类阶元中的
系统学意义[1]等,rbcL已成为分子系统学研究中普
遍应用的基因之一。本研究测定和分析了苎麻属植
物的rbcL序列,并与其他荨麻科植物的 rbcL序列
进行比较,构建荨麻科植物的分子系统进化树,从
而进一步探讨该科各属之间的系统发育关系以及各
属在荨麻科中的系统发育地位。
1 材料与方法
1.1 材料
苎麻属材料为叶片样本,采自江西省苎麻生物
基于rbcL序列探讨荨麻科植物的系统发育关系
康冬丽 1 潘其辉 2 易自力 1 蒋建雄 1*
(1湖南农业大学生物科学技术学院,长沙 410128;2江西省苎麻生物技术重点实验室,宜春 336000)
摘要 对苎麻属4个种的rbcL序列进行了 PCR扩增和 T/A克隆产物的序列测定,扩增出长度为
1370bp的rbcL序列。从GenBank中选取荨麻科8个属的rbcL序列,将所有物种的rbcL序列排序
后,总长度约为 1428bp。其中保守位点 1263个,变异位点 165个,信息位点 71个。利用
MEGA3.1软件构建荨麻科植物的MP和NJ系统树,并根据rbcL区碱基序列的差异计算种间的遗
传距离,从而进一步探讨荨麻科植物之间的亲缘关系。其中,赤车属、锥头麻属、藤麻属、楼梯
草属和冷水花属聚为一支,具有较近的亲缘关系;墙草属、单蕊麻属和苎麻属聚为另一组;而荨
麻属植物在一级分支中就与荨麻科其他属植物分开,说明该属与其他属的亲缘关系较远。
关键词: 荨麻科 rbcL序列 信息位点 距离依靠法
本文2008年1月21日收到。2008年5月20日接受。
**通讯联系人:E-mail:jxjang2002@yahoo.com.cn
第41卷 第4期 Vol.41,No.4
August20082008年8月
分 子 细 胞 生 物 学 报
JournalofMolecularCelBiology
41卷康冬丽 潘其辉 易自力 蒋建雄
表1 实验材料及其来源
Table1 Theoriginofmaterialsusedinthestudy
物种名称
Species
苎麻Boehmerianivea
帚序苎麻Boehmeriazolingeriana
序叶苎麻Boehmeriaclidemioides
疏毛水苎麻Boehmeriapilosiuscula
单蕊麻Droguetiaambigua
渐尖楼梯草Elatostemaacuminatum
墙草属Parietariapensylvanica
烟火草Pelioniadaveauana
透茎冷水花Pileapumila
玲珑冷水花Pileadepressa
锥头麻属Poikilospermumsp.Wooliams547
藤麻属Procrisinsularis
异株荨麻Urticadioica
采集地/来源
Locality/Source
四川
云南
江西
广东
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank
GenBank检索号
Accessionnumber
AM235161
AY208702
AF500357
AF500358
AF206811
AF500359
AF500362
AY208706
AF500361
技术重点实验室野生苎麻资源圃内,其余来自
GenBank(见表1)。
1.2 方法
1.2.1 植物总DNA提取
实验采集的材料均为新鲜叶片,经-70℃超低
温保存。采用改良的CTAB法[3]提取植物总DNA。
1.2.2 试剂和仪器
PlusTaqDNA聚合酶 (广州东盛生物科技)、
dNTP(达安基因)和 Marker3(广州东盛生物科
技);PCR反应在BiometraPCR仪上进行。
1.2.3 rbcL序列的PCR反应
50!L的PCR反应体系:
10×PCRBufer 5!L
dNTP 1!L
DNA模板 1!L
10!mol/LPrimer1 2!L
10!mol/LPrimer2 2!L
PlusTaq酶 0.8!L
dsH2O 38.2!
!
#
#
##

#
#
##
$ L
扩增rbcL序列的引物对为:
rbcL-1:5′-ATGTCACCACAAACGGAG
AC-3′
rbcL-1379:5′-GCA GCT AAT TCA GGA
CTCC-3′
按以下条件进行PCR反应:
94℃,2min; 94℃ 1min,63℃ 1min,72℃
90s,35cycles;72℃,10min
PCR产物经琼脂糖凝胶电泳检测其分子量。
1.2.4 PCR产物的回收
将扩增得到的 rbcL片段用凝胶回收试剂盒进
行回收 (方法参见 OMEGA公司的凝胶回收试剂
盒)。
1.2.5 克隆测序
回收所得的 PCR产物与 pMD18-T载体连接,
转化导入由大肠杆菌 DH-5α所制的感受态细胞
中,采用蓝白斑筛选法获得克隆 (方法参见 PCR
T/ACloningKit使用说明书)。应用菌落PCR和质
粒提取 (方法参见 OMEGA公司质粒提取试剂盒)
检测的方法确定阳性克隆。
1.2.6 PCR产物的序列测定
将筛选得到的阳性克隆送到北京奥科公司进行
测序。测序引物为 M13+/M13-。为了保证序列的
准确性,对rbcL序列进行双向测定并加以校准。
1.2.7 数据处理
序列测定完成之后,所得的序列先用手工校
对,再用 CLUSTALX1.83软件进行排序。用系统
发育分析软件 MEGA3.1(MolecularEvolutionGe-
neticAnalysis,Version3.1)进行序列数据分析和系
统发育数的构建。采用最大简约法 (MP法)和邻
近法 (NJ法)构建分子系统树,再应用自展法
(Bootstrap)对所构建的系统树进行检测,自展重
复次数设定为1000次。
256
4期 基于rbcL序列探讨荨麻科植物的系统发育关系
2 结 果
2.1 rbcL序列扩增与分析
本实验扩增了苎麻属中 4个种的 rbcL序列,
图 1为 rbcL序列的电泳扩增图,电泳图中第一泳
道为Marker3,第二泳道为苎麻样品的rbcL扩增条
带,第三泳道为样品帚序苎麻 rbcL序列的扩增条
带。由该电泳图可以看出,扩增得到的 rbcL序列
其大小约在1300bp左右。
进一步测定了这 4个种的 rbcL序列,并将来
自 Genbank的其余各属植物的 rbcL基因序列运用
ClustalX程序对所测得序列进行对位排列 (图2)。
将对位排列后的数据导入系统发育分析软件
MEGA3.1对序列进行变异和信息位点的统计分析。
DNA测序得到的 4个物种的 rbcL序列,其长
度均为 1370bp。将测序得到物种和 Genbank中物
图1 rbcL序列的PCR扩增
Fig.1 ThePCRamplificationbyrbcLprimer
4000
3000
2000
1200
800
500
200
Marker3 苎麻 帚序苎麻
257
41卷康冬丽 潘其辉 易自力 蒋建雄258
4期 基于rbcL序列探讨荨麻科植物的系统发育关系 259
41卷康冬丽 潘其辉 易自力 蒋建雄
种的rbcL序列排序后,其总长度为1428bp。将gap
(空位)作 missing(缺失)处理时,整个 rbcL序
列共有保守位点1263个,变异位点165个,信息
位点71个。
2.2 系统发育分析
将对位排列后的序列导入 MEGA3.1,选择
Kimura2-Parameter核酸距离模式计算得遗传距离
矩阵如表2所示。为了更准确地说明问题,我们采
用MP和NJ法,在自展百分比分析中,经过1000
次重复抽样计算,获得的最大简约树 (图3)的一
致性指数 (CI)为 0.835227、保持指数 (RI)为
0.818750、重复尺度一致性指数0.683842。用邻接
法经过1000次重复抽样计算,同样获得50%多数
原则一致树 (图4)。
图2 CLUSTALX(1.83)排序结果
Fig.2 CLUSTALX(1.83)multiplesequencealignment
260
4期 基于rbcL序列探讨荨麻科植物的系统发育关系
利用 MP法和 NJ法构建的系统发育树表明
(图 3和图 4):荨麻属首先与荨麻科其他属分开,
荨麻科的其他8个属则聚成为两大分支。其中,赤
车属、锥头麻属、藤麻属、楼梯草属和冷水花属聚
为第一大分支,其自展支持率分别是 71% (MP)
和55% (NJ);第二大分支包括墙草属、单蕊麻属
和苎麻属,其分支支持率分别为 95% (MP)和
96% (NJ)。第一大分支内的五个属又被分为两个
组,赤车属、锥头麻属、藤麻属、楼梯草属为第一
组,自展支持率分别是 99% (MP)和 100%
(NJ);而冷水花属植物的两个种则聚为另一组,
其分支支持率分别为 95% (MP)和 98% (NJ)。
第二大分支中也包括两个组,墙草属和单蕊麻属为
第一组,其分支支持率分别为 65% (MP)和 75%
(NJ);苎麻属中的 4个种聚在一起成为第二组,
这一组的自展支持率分别为 87% (MP)和 91%
表2 基于Kimura2-Parameter距离模式的遗传距离
Table2 ThedistancematrixbasedonKimura2-Parameterdistancemethod
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1
0.0475
0.0302
0.0329
0.0311
0.0311
0.0420
0.0393
0.0229
0.0311
0.0302
0.0311
0.0256
2
0.0430
0.0457
0.0448
0.0457
0.0494
0.0550
0.0578
0.0504
0.0504
0.0494
0.0476
3
0.0140
0.0123
0.0123
0.0329
0.0311
0.0357
0.0375
0.0366
0.0357
0.0329
4
0.0105
0.0070
0.0356
0.0347
0.0366
0.0375
0.0366
0.0357
0.0338
5
0.0070
0.0356
0.0338
0.0366
0.0384
0.0375
0.0366
0.0347
6
0.0356
0.0338
0.0366
0.0384
0.0375
0.0365
0.0347
7
0.0229
0.0458
0.0449
0.0439
0.0430
0.0420
8
0.0421
0.0411
0.0402
0.0411
0.0338
9
0.0320
0.0311
0.0320
0.0247
10
0.0009
0.0035
0.0176
11
0.0026
0.0167
12
.
0.0176
注:1.Parietariapensylvanica;2.Urticadioica;3.Elatostemaacuminatum;4.Procrisinsularis;5.Pelioniadaveaua-
na;6.Poikilospermumsp.Wooliams547;7.Pileapumila;8.Pileadepressa;9.Droguetiaambigua;10.Boehmeriapilosius-
cula;11.Boehmeriaclidemioides;12.Boehmeriazolingeriana;13.Boehmerianivea;
图3 荨麻科MP系统树
Fig.3 MPtreeofUrticaceae
Poikilospermumsp.Wooliams.547
Procrisinsularis
Pelioniadaveauana
Elatostemaacuminatum
Pileadepressa
Pileapumila
Droguetiaambigua
Parietariapensylvanica
Boehmerianivea
Boehmeriazolingeriana
Boehmeriaclidemioides
Boehmeriapilosiuscula
Urticadioica
77
100
87
95
65
95
71
99
96
70
261
41卷康冬丽 潘其辉 易自力 蒋建雄
(NJ)。
3 讨 论
3.1 rbcL序列分析的可行性
rbcL基因编码核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧
酶 (Rubisco,rbc)的大亚基。rbc催化卡尔文循
环中最初的CO2固定步骤,rbc分子量达560Kda,
全酶由8大亚基 (rbcL,分子量为55Kda)和8个
小亚基 (RbcS,分子量为15Kda)组成,其中大亚
基排列成八聚体核心,一个大亚基的 C端区与邻
近大亚基的 N端形成一个 α/β桶状活性中心,在
光合作用的 CO2固定中起作用。迄今为止,rbcL
基因序列已用于许多分类群的系统发育研究,从科
内 (多为远缘属间) [4-9]到有花植物主要谱系间[10],
甚至于整个蕨类[11]、种子植物谱系间的关系[12]。
PetraKoral&PaulKenrick曾采用最大简约法用
rbcL序列分析探讨了 Selaginelaceae科的系统发
育,他们对代表该科 10%现存种的 62个物种的
rbcL基因进行测序并分析,分析结果支持 Se-
laginela和 Tetragonostachys亚属的单系发生,而
Stachygynandrum和 Heterostachys是多系发生,但
未确认Ericetorum的单系发生。并且最终还得到了
以前在形态学基础上未被识别的新类群 [13]。
SDayanandan等用 rbcL基因的核苷酸序列构建了
热带 Dipterocarpaceae科的系统树,他们用简约法
分析 35个种的 rbcL序列。结果表明:Diptero-
carpaceae的成员 ,包括Monotes和Pakaraimaea,组
成一个单系发生类群,并且与 Sarcolaenaceae科的
关系很近,并联合组成 Malvales[14]。HiroakiSe
toguchi等用 rbcL基因序列建立了 Araucariaceae的
系统发育关系。结果表明:Agathis或 Araucaria是
单系发生的,Wolemia先于Agathis和Araucaria分
化。rbcL系统树支持把现在的 Araucaria分成 4个
组:Araucaria,Bunya,Eutacta和 Intermedia。并
且形态学特征如子叶的数目、雄球果的位置和表皮
的微结构都可作为系统发育信息来进行加权。同
时,rbcL基因只有很少的信息位点变化,也表明
更多的种是近来分化而来的[15]。
本文以 rbcL序列为基础,分析了荨麻科植
物中 9个属间的亲缘关系。通过这 9个属植物
rbcL序列的比对可以发现,整个序列共有保守
位点1263个,变异位点 165个,信息位点 71
个,信息位点所占的百分数达到了 5%左右。另
外,通过 MP和 NJ聚类图也可以看到,每个分
支的自展支持率基本上都在 78%以上。由此可
见,用 rbcL序列对荨麻科各属间进行系统发育
关系的研究是可行的。在试验过程中,曾选取过
TrnL-F序列和 MatK基因进行系统发育的分析,
图4荨麻科NJ系统树
Fig.4NJtreeofUrticaceae
Poikilospermumsp.Wooliams.547
Procrisinsularis
Pelioniadaveauana
Elatostemaacuminatum
Pileadepressa
Pileapumila
Droguetiaambigua
Parietariapensylvanica
Boehmerianivea
Boehmeriazolingeriana
Boehmeriaclidemioides
Boehmeriapilosiuscula
Urticadioica
88
100
91
96
75
98
55
100
97
61
0.005
262
4期 基于rbcL序列探讨荨麻科植物的系统发育关系
结果其分支支持率都在 50%以下,这也说明这两
个序列都不太适合应用于荨麻科植物种间亲缘关
系的分析。
3.2 荨麻科部分属系统发育关系
从图3和图 4所示的系统构建树可以观察到,
荨麻属首先与荨麻科其他属分开。荨麻属植物在形
态上具有刺毛,而列入讨论的荨麻科其他8个属的
植物都是不具刺毛的。可能正是由于形态上的这种
区别在 rbcL序列中表现了出来,结果荨麻属植物
在一级分支中就被首先分出。剩下的其它8个属则
聚成两大分支。其中,赤车属、锥头麻属、藤麻
属、楼梯草属和冷水花属聚为第一大分支,其自展
支持率分别是 71% (MP)和 55% (NJ)。在这五
个属中,除锥头麻属外,其余的四个属都属于楼梯
草族的。它们具有相似的形态学特征:它们都为草
本,稀灌木状,无刺毛;叶片对生或者互生;雄花
有 3-5数;雌花花被都为 3-5片,离生,有时会
在下部合生;花被与果实分离,具退化雄蕊,且其
柱头呈画笔头状[16]。而锥头麻属曾被不少学者置于
桑科 Moraceae中,C.C.Berg曾把此属与桑科的其
他 5个属分出建立一个科 CecropiaceaeC.C.Berg。
锥头麻属的植物在形态上具有直立、基生的胚珠这
一重要的症状,而这一性状又是荨麻科植物的一个
典型性状[16]。虽然该属在其他形态上与桑科植物比
较相似,但是从本次试验结果所得出的 MP和 NJ
聚类图来看,锥头麻属还是聚入荨麻科中,故还是
应该把该属归入到荨麻科中。
第二大分支包括墙草属、单蕊麻属和苎麻属,
其分支支持率分别为 95% (MP)和 96% (NJ)。
其中,苎麻属中的4个种聚在一起成为一组,并且
该组的自展支持率达 87% (MP)和 91% (NJ)。
由表1可知,这4个种分别来自于苎麻属植物的四
个组 (苎麻组、大叶苎麻组、序叶苎麻组和帚叶苎
麻组)。它们可以独立分出成为一支,并且和其他
属植物处在平行的位置上,这说明无论从形态学还
是分子生物学方面都证明了苎麻属在系统位置上的
独立性--它可以在荨麻科内独立成为一个属而不
棣属于任何其他属下。墙草属、单蕊麻属和苎麻属
分别属于墙草族、单蕊麻族和苎麻族,这三大族在
形态学分类上是处在平行位置的。同样,从MP和
NJ聚类图也可以看出,墙草属、单蕊麻属和苎麻
属植物有着相同的进化速率,这也再次从分子生物
学角度证实了形态学的分类结果。
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41卷康冬丽 潘其辉 易自力 蒋建雄
ABSTRACT ThesequencesofrbcLfromfourspeciesofBoehmeriawereanalyzedinthisstudy
byPCRamplificationanddirectlysequencing.ThesequencesofPCRproductswereabout1370
bp.RbcLsequencesofninegeneraswerechosenfromGenBank,thentherbcLof13specieswere
sequencedwithclustalX1.83.Aftersequencing,thelenghofrbcLwas1428bpandhas1263
conservedsites,165variablesitesand71informationsites.ByusingMEGA3.1,MPtreeandNJ
treeofUrticaceaewereconstructed.BasedonthediferenceinrbcLsquence,thegeneticdistances
amongspecieswerecalculated.Withtheseinformations,wecanfurtheranalyzethegeneticrelation-
shipsofUrticaceae.Inresult,Pelionia,Poikilospermum,Procris,ElatostemaandPileaformeda
monophyleticgroup;ParietariaandBoehmeriaformedanothermonophyleticgroup.However,Urtica
formedasinglegroup,suggestingithadthemostdistantrelationshiptotheothergenusofUr-
ticaceae.
Keywords: Urticaceae.rbcLsequence.Informationsites.Distancebasedmethods
STUDYONPHYLOGENETICRELATIONSHIPSOF
URTICACEAEBASEDONrbcLSEQUENCE
KANGDongLi1 PANQiHui2 YIZiLi1 JIANGJianXiong1*
(1ColegeofBioscienceandBiotechnologyHunanAgricultureUniversity,Changsha 410128,China;
2JiangxiRamieBiotechnologyKeyLaboratory,Yichun 336000,China)
*Corespondingauthor,Email:jxjiang2002@yahoo.com.cn
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