全 文 ：第 44 卷第 2 期 郑 州 大 学 学 报(理 学 版) Vol. 44 No. 2
2012年 6 月 J． Zhengzhou Univ．(Nat． Sci． Ed．) Jun. 2012
收稿日期:2011 12 11
基金项目:国家自然科学基金资助项目，编号 30800204．
作者简介:押辉远(1977 －) ，男，副教授，博士，主要从事分子遗传学与生物物理学研究，E-mail:yahuiyuan@ yahoo． com． cn．
DOI:10． 3969 / j． issn /1671 －6841． 2012． 02． 024
基于 EF1-a基因对常见禾本科作物的聚类分析
押辉远1，2， 李卫涛1， 王卫东2， 焦 贞2
(1．洛阳师范学院 生命科学系 河南 洛阳 471022;
2．郑州大学 河南省离子束生物工程重点实验室 河南 郑州 450052)
摘要:基于 EF1-a基因核苷酸序列和氨基酸序列，利用分子进化遗传分析软件 MEGA 5． 0 构建常见禾本科植物的
最小进化法(ME)、邻接法(NJ)和算术平均数的非加权成组配对法(UPGMA)分子系统进化树． 研究结果表明，
EF1-a cDNA序列和氨基酸序列的聚类分析都能够反映所列禾本科植物的属间关系，3 种进化树的聚类分析分支情
况基本一致．基于 EF1-a基因的 cDNA序列和氨基酸序列构建的 ME、NJ树适合用来研究禾本科作物种间或种内的
遗传关系，而构建的氨基酸序列 UPGMA树有待更多的数据研究．
关键词:延伸因子 EF1-a;禾本科作物;分子系统进化树
中图分类号:Q 37 文献标志码:A 文章编号:1671 － 6841(2012)02 － 0108 － 06
0 引言
禾本科(Poaceae)植物是单子叶植物(Orchidaceae)中的第 2 大科，有近 700 属，约 11 000 种．我国有 190
多属，1 200 多种［1］．不仅包括了水稻(Oryza sativa L．)、小麦(Triticum aestivum L．)和玉米(Zea mays L．)三
大粮食作物，还包括高粱(Sorghum Moench)、甘蔗(Saccharum L．)等其他重要经济作物，其中一些杂草是生
态学的优势物种和先锋植物［2］．然而禾本科的亚科和族的划分一直存在较大争议:Clayton 等［3］将禾本科分
成 6 个亚科;而 Soderstrom等［4］则把稻族和菰族从亚科中分离出来，置于稻亚科中，形成 7 亚科;GPWG［5］通
过对质体 DNA和核 DNA数据分析及结合形态学的方法将禾本科划分成 12 个亚科．
随着分子生物学的发展，基于基因序列的分子数据已被广泛应用于物种分类学、系统学和种群遗传学的
研究中．植物延伸因子 EF1-a 是真核生物细胞内的第二大蛋白，并且在蛋白质合成延伸过程中起重要作
用［6］．许多禾本科植物如大麦、玉米、小麦、水稻等的 EF1-a互补 DNA (complement DNA，cDNA)序列已经测
定，通过比较分析多种植物的 EF1-a基因编码的氨基酸序列，发现种间的 EF1-a 基因编码的氨基酸序列高
度保守，同源性高于 95%［7］，适合用于种系发生分析，可以作为研究系统发育的有力工具［8］．目前，依据形态
学、不同来源(核基因组、叶绿体基因组或线粒体基因组)的基因序列开展的禾本科植物系统分类研究获得
的结果也都有所差异，而基于 EF1-a基因对禾本科植物分类的研究少有所见．作者对水稻、小麦、大麦(Hor-
deum vulgare)、玉米、芒(Miscanthus sinensis)、发草(Deschampsia antarctica)等禾本科植物的 EF1-a 基因核苷
酸和氨基酸序列进行比对分析，构建分子系统进化树．旨在进一步了解禾本科植物之间的进化亲缘关系，为
禾本科植物种属间的分类提供确切的分子生物学依据．
1 材料和方法
1． 1 材料
本文中所有 EF1-a序列信息来自 NCBI(http:/ /www． ncbi． nlm． nih． gov /)．
本研究所用植物材料如下:水稻(Oryza sativa L．)、小麦(Triticum aestivum L．)、玉米(Zea mays L．)、大麦
第 2 期 押辉远，等:基于 EF1-a基因对常见禾本科作物的聚类分析
(Hordeum vulgare)、芒(Miscanthus sinensis)、发草(Deschampsia antarctica)、大豆(Glycine max)．
1． 2 方法
利用 NCBI 中的 BLAST 软件对 6 种禾本科植物的 EF1-a 基因序列进行同源性比对． 运用 Clustal X
version 1． 8 分析软件［9］，参数设为默认值，对 28 个基因序列进行多重对比并人工校正．利用MEGA 5． 0 构建
分子系统进化树［10］． ME、NJ、UPGMA分子系统进化树均采用软件中的默认参数．
2 结果与分析
2． 1 核苷酸和氨基酸序列的相似性
稻属中 9 个 EF1-a核苷酸序列之间的相似值达到 95%以上，而氨基酸序列之间的相似值达到 99%以
上;玉米属中 15 个 EF1-a核苷酸序列之间的相似值多数在 90%左右，但也出现了 84%左右的低相似值，氨
基酸序列之间的相似值相比于水稻也略显低些．研究表明，水稻 EF1-a 基因核苷酸序列相似性普遍较高，玉
米相似性存在差异，但是氨基酸序列的相似性高于核苷酸序列的相似性，研究结果支持禾本科植物 EF1-a
氨基酸序列保守的观点［11］．
2． 2 多重序列比对分析
对 6 种禾本科植物 28 个 EF1-a基因核苷酸序列和氨基酸序列进行多重序列比对分析，结果表明:核苷
酸序列同源性高，氨基酸序列比核苷酸序列的同源性更高，所以氨基酸序列比较适合分子系统发育重建．
2． 3 分子系统进化树分析
用 gi | xxxxx代表 NCBI中不同的 EF1-a基因序列的编号，利用 ME 法构建核苷酸分子系统进化树，结果
见图 1． 6 种禾本科植物被分为 4 个组群，引自水稻属的 9 个核苷酸序列材料聚为一支，靴带支持率 100%;引
自小麦和大麦的 2 个序列材料聚在一起，靴带支持率 100%，它们的亲缘关系更近;引自发草的材料聚为一
类;引自玉米的 15 个材料在聚为一个组群的前提下又分为两个组群，其中引自芒的一个材料与玉米组群中
的第二个组群聚为一类．
利用 NJ法对核苷酸序列构建分子系统进化树，结果见图 2．来自水稻的 9 个氨基酸序列聚为一支，靴带
支持率 100%;来自小麦和大麦的两个核苷酸序列聚为一支，节点支持率 100%;来自水稻和麦属的材料聚在
一起，亲缘关系较近;引自玉米的核苷酸序列在聚为一个组群的前提下又聚为两类，其中引自芒的材料聚在
玉米的第二个类群中，表现出一定的亲缘关系;发草材料单独聚为一个类群．
利用 ME法对氨基酸序列构建分子系统进化树，结果见图 3．引用材料被聚类分为三大类群，来自水稻
的 9 个氨基酸序列聚为一类，靴带支持率 98%;来自小麦、大麦的两个氨基酸序列聚为一类，靴带支持率
100%，然后与发草聚在一起，靴带支持率 53%;引自玉米的材料被聚类分为两个大类，靴带支持率分别为
90%、65%，其中在第二个大类中，芒以靴带支持率 63%聚在其中．
利用 NJ法对氨基酸序列构建分子系统进化树，结果见图 4．来自水稻的氨基酸序列聚为一类，靴带节点
支持率 98%;来自小麦、大麦的氨基酸序列聚为一类，靴带支持率 100%，然后与发草聚为一个类群;来自玉
米的氨基酸序列聚为一支，靴带支持率 54%，然后被聚为两个类群．来自芒的序列插在其中．
利用 UPGMA法对氨基酸序列构建分子系统进化树，结果见图 5．来自水稻的 9 个序列聚在一支，靴带支
持率 96%;来自小麦和大麦的序列也聚在一支，靴带支持率 100%;而玉米的氨基酸序列分布在不同分支，分
析价值不高，但是其他的物种聚类明显．因此，此种方法运用在禾本科植物氨基酸序列的聚类分析还有待进
一步的研究．
利用 UPGMA法对核苷酸序列构建分子系统进化树，结果见图 6．核苷酸序列被聚类分析分为四大分支，
引自发草的材料单独聚为一类;引自水稻和麦属的材料聚为一个大类，然后麦属和水稻各自聚在一起;引自
玉米的材料被聚为了两个大类，而芒聚在了其中一个大类里面．
通过对核苷酸和氨基酸序列构建的分子系统进化树进行比较分析，得出以下结论:利用核苷酸序列构建
的 3 种进化树都能准确反映禾本科植物的分类地位和亲缘关系，并且与传统的分类基本吻合．利用氨基酸序
列构建的 ME树和 NJ树也能反映禾本科植物的分类地位和亲缘关系，但构建的 UPGMA树对玉米的分类准
确性不高，原因可能是与玉米亚种较多，基因具有多态性有关．因此核苷酸序列构建的系统进化树更适合于
901
郑 州 大 学 学 报 (理 学 版 ) 第 44 卷
属间的聚类进化分析，而氨基酸序列保守性高，更适合于种间的系统进化分析，3 种构建方法以 UPGMA法对
亚种间的细化分类最为合适．
011
第 2 期 押辉远，等:基于 EF1-a基因对常见禾本科作物的聚类分析 111
郑 州 大 学 学 报 (理 学 版 ) 第 44 卷211
第 2 期 押辉远，等:基于 EF1-a基因对常见禾本科作物的聚类分析
3 讨论
核苷酸序列是物种进化的忠实记录者，直接研究其序列变异可以再现物种进化历程，为物种系统演化提
供有益的线索［12］．因此，基于分子水平的系统发育研究，对于揭示植物系统进化的本质具有重大的意义．作
者通过对主要禾本科植物 EF1-a 的基因序列和氨基酸序列比对分析及构建分子系统进化树，结果表明
EF1-a基因对禾本科植物种属间分类具有一定的应用价值．植物延伸因子 EF1-a 广泛存在于真核细胞内，其
表达调控十分保守，与植物细胞的多种生理生殖反应有关．植物种间的 EF1-a 氨基酸序列高度保守，在种间
遗传进化分析研究中作用显著，所以其不失为遗传进化分析的另一种良好材料．可以根据该基因的保守序列
克隆某一分类位置有争议的禾本科植物的 EF1-a cDNA 序列，与已有的禾本科该基因的 cDNA 共同构建合
适的系统进化树，作为该物种分类的重要参考依据．另外，由于对植物延伸因子的研究不是很完善，本研究的
覆盖面还不是很广，要达到更完善的程度，需要对植物延伸因子进行更多的研究．
参考文献:
［1］ 郭本兆．中国植物志:第九卷第三分册［M］． 北京:科学出版社，1987:116 － 118．
［2］ Shantz H L． The place of grasslands in the earth’s cover of vegetation［J］． Ecology，1954，35(2) :143 － 145．
［3］ Clayton W D，Renvoize S A． Genera Graminum［M］． London:Her Majesty’s Stationery Office，1986:303 － 310．
［4］ Soderstrom T R，Hilu K W，Campbell C S，et al． Grass Systematic and Evolution［M］． Washington D C:Smithsonian Institute
Press，1987:458 － 466．
［5］ Grass Phylogeny Working Group． Phylogeny and subfamilial classification of the grasses (Poaceae) ［J］． Annals of the Missouri
Botanical Garden，2001，88(3) :373 － 457．
［6］ Negrutskii B S，El’skaya A V． Eukaryotic translation elongation factor 1 alpha:structure，expression，functions and possible
role in aminoacyl-tRNA channeling［J］． Prog Nucleic Acid Res Mol Biol，1998，60:47 － 78．
［7］ Browning K S． The plant translational apparatus［J］． Plant Molecular Biology，1996，32(1 /2) :107 － 144．
［8］ Gaut B S． Evolutionary dynamics of grass genomes［J］． New Phytologist，2002，154(1) :15 － 28．
［9］ Thompson J D，Gibson T J，Plewniak F，et al． The Clustal X windows interface:flexible strategies for multiple sequence align-
ment aided by quality analysis tools［J］． Nucleic Acids Research，1997，25(24) :4876 － 4882．
［10］张阳德．生物信息学［M］．北京:科学出版社，2004:163 － 178．
［11］ Gaut B S． Evolutionary dynamics of grass genomes［J］． New Phytologist，2002，154(1) :15 － 28．
［12］赵建国，李辉，王启贵，等．鸡偶联蛋白(UCP)基因内含子的克隆与系统发生树的构建［J］．遗传，2004，26(1) :50 － 54．
Cluster Analysis of Some Common Gramineous Plants
Based on the Sequences of EF1-a
YA Hui-yuan1，2， LI Wei-tao1， WANG Wei-dong2， JIAO Zhen2
(1． College of Life Sciences，Luoyang Normal University，Luoyang 471022，China;
2． Henan Key Lab of Ion-beam Bioengineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052，China)
Abstract:By means of MEGA 5． 0，three kinds of molecular system evolutionary trees (ME，NJ and UP-
GMA)of common gramineous plants were established based on EF1-a genome nucleotide sequences and
amino acid sequences． The results showed that the cluster analysis of both EF1-a genome nucleotide se-
quences and amino acid sequences could reflect the relationship among gramineous plant genera，and the
cluster analysis branches of three kinds of evolutionary trees were almost the same． So it was concluded
that ME and NJ trees established on the basis of cDNA sequences and amino acid sequences were appli-
cable for the evolutionary relationship among and inside gramineous plant genera，but the UPGMA tree
established on the basis of amino acid sequences needed further research．
Key words:elongation factor EF1-a;gramineous plant;molecular system evolutionary tree
311