全 文 :第30卷 第2期
2012年6月
四川农业大学学报
Journal of Sichuan Agricultural University
Vol.30 No.2
Jun.2012
收稿日期:2012-02 -28
基金项目:国家自然科学基金项目(30870154,30900087); 四川省教育厅项目。
作者简介:王晓丽,副教授,博士,研究方向:植物系统与进化,E-mail:wangxiaoli288@163.com。*责任作者:周永红,教
授,博士,研究方向:植物系统与进化,E-mail:zhouyh@sicau.edu.cn。
doi:10.3969/j.issn.1000-2650.2012.02.005
赖草属林下组植物GBSSI基因
序列的系统发育与分子进化
王晓丽1,2,罗春莲1,沙莉娜1,周永红1*
(四川农业大学1.小麦研究所,四川 温江 611130; 2.生命科学与理学院,四川 雅安 625014)
摘要:【目的】探讨赖草属林下组植物的种间系统关系与GBSSI基因的分子进化式样。【方法】对赖草属林下组3
个类群的GBSSI基因序列进行多克隆测序,并将其与来自小麦族8个代表 Ns,St,P,F,Ee 和Eb 基因组的二倍体
植物的GBSSI序列进行序列与系统比较分析。【结果】基因序列多态性与系统发育分析表明:①L.duthiei和L.
duthiei var.longearistatus亲缘关系密切;②不同Ns基因组供体参与多倍化物种形成可能导致L.komarovii与L.
duthiei和L.duthiei var.longearistatus发生遗传分化;③赖草属林下组植物的GBSSI基因序列在Ns基因组拷贝
上的多态性水平低于新麦草属植物Ns基因组序列多态性。【结论】支持L.duthiei和L.duthiei var.longearistatus
互为种与变种的分类等级。复制基因GBSSI在多倍体中多态性水平不平等。
关键词:赖草属;林下组;GBSSI基因;系统发育分析;分子进化
中图分类号:Q946.2 文献标志码:A 文章编号:1000-2650(2012)02-0144-06
Phylogeny and Molecular Evolution of the GBSSIGene Sequences in
the Section Silivcola C.Yen of Leymus(Poaceae;Triticeae)
WANG Xiao-li 1,2,LUO Chun-lian1,SHA Li-na1,ZHOU Yong-hong1*
(1.Triticeae Research Institute,Sichuan Agricultural University,Wenjiang 611130,Sichuan,China;
2.Colege of Biology and Science,Sichuan Agricultural University,Yaan 625014,Sichuan,China)
Abstract:【Objective】The aims was to estimate the phylogeny and molecular evolution of a single-
copy nuclear GBSSI gene within the Section Silivcola C.Yen of Leymus.【Method】Two types of
the GBSSI homoeologous sequences were isolated from three species of the section Silivcola
through multiple clone method and were analyzed with those from eight diploid taxa representing
the Ns,St,P,F,Ee and Eb genomes in Triticeae.Phylogenetic analysis was conducted using
maximum likelihood(ML).【Results】Sequence diversity patterns and phylogenetic analysis sug-
gested that①L.duthiei was closely related to L.duthiei var.longearistatus;②L.komarovii,L.
duthiei and L.duthiei var.longearistatus might derive their Ns genome from different Psathy-
rostachys species,leading to the genetic differentiation between L.komarovii and L.duthiei and
its variety;③polyploids in the sect.Silivcola C.Yen of Leymus had lower levels of GBSSI se-
quence diversity in the Ns genome homoeolog than in the diploids.【Conclusion】It is reasonable
to treat L.duthiei var.longearistatus as a variety of L.duthiei.The diversity of duplicate GBSSI
was unlikely equivalent in polyploids.
Key words:Leymus;Silivcola;GBSSI;phylogeny;molecular evolution
第2期 王晓丽(等):赖草属林下组植物GBSSI基因序列的系统发育与分子进化
淀粉是小麦籽粒的重要组成部分,分为直链淀
粉和支链淀粉。胚乳淀粉一般由20%~30%的直
链淀粉和70%~80%的支链淀粉组成[1]。在胚乳
等储藏器官中,合成直链淀粉的关键酶是颗粒结合
型淀粉合成酶(granule-bound starch synthase),也
叫糯蛋白,即GBSS。编码GBSS的基因也叫Waxy
基因,这些基因位点的缺失或突变,会使胚乳中直链
淀粉合成减少,支链淀粉含量上升,小麦胚乳表现为
糯性[2]。GBSSI是最早发现的GBSS 同工型,其分
子量约为60kD左右,其编码基因为单拷贝核基因,
目前已从玉米、马铃薯、大麦、水稻和豌豆中成功克
隆[3]。比较水稻与玉米、大麦的GBSSI基因序列,
发现它们全长4 800bp左右,均含有13个内含子和
14个外显子,外显子大小极其相近,它们之间的核
苷酸序列存在高度的同源性,序列变异表现在其内
含子大小变化不等、序列同源性较低[3]。在六倍体
小麦中,GBSSI基因定位于第7同源群染色体上,
由615个氨基酸组成,它的蛋白质前体包括1个分
子量为7kD的转运肽,有75个氨基酸,与其他作物
不同的是N端有1个11个氨基酸的插入序列[4]。
在GBSSI基因中,从第9外显子到第14外显子的
序列(包括外显子和内含子序列约1 200个碱基)被
成功用到小麦族(Triticeae)[5]、蔷薇科(Rosace-
ae)[6]、荚莲属(Viburnum)[7]等植物的系统与进化
研究。
赖草属(Leymus Hochst.)是 C.F.Hochstet-
ter[8]提出并以沙生赖草(Leymus arenarius (L.)
Hochst.)为模式种建立的禾本科(Poaceae)小麦族
(Triticeae)多年生属,主要分布于北半球温寒地带。
根据颜济等[9]的分类系统,赖草属包括沙生组
(Sect.Leymus Nevski)、草原草甸组(Sect.Anisopy-
rum (Griseb)Tzvelev)和林下组(Sect.Silvicola C.
Yen)。生境上,沙生组植物主要生长在干旱的石质
岩坡及荒漠地带,草原草甸组植物主要生长于半干
旱的草原及开阔草甸区。与沙生组和草原草甸组植
物干旱、半干旱生境相比,林下组植物常年生长于温
暖潮湿的林下。形态上,沙生组和草原草甸组植物
普遍具有强大或匍匐的根茎,而林下组植物通常无
根茎。鉴于林下组植物与其他赖草属植物在生态和
形态上的较大差异,进行林下组植物系统学研究对
赖草属植物多样性及物种形成具有重要意义。
林下组植物包括 Leymus californicus (Bo-
land.ex Thurb.)M.Barkworth,Leymus komarovii
(Roshev.)J.L.Yang & C.Yen、Leymus duthiei
(Stapf)Y.H.Zhou & H.Q.Zhang、Leymus
duthiei var.longearistatus(Hack.)Y.H.Zhou &
H.Q.Zhang 及 Leymus duthiei var.japonicus
(Hack.)L.J.Yang et B.R.Baum。L.californicus
分布仅限于美国加州森林区及靠近海岸荫被处。
L.komarovii分布于我国东北及俄罗斯远东等温寒
地区,生长于山谷林下。L.duthiei呈间断分布于尼
泊尔西部及中国西南山区,生长于海拔600~2 000
m的山谷森林下。L.duthiei var.longearistatus和
Leymus duthiei var.japonicus仅分布于日本,生长
于海拔700~1 100m的阴湿山林和沿河的灌丛中。
细胞学研究表明赖草属林下组植物均为异源多倍体
植物,染色体倍性包括四倍体(2n=4x=28)和八倍
体(2n=8x=56),含有 Ns和 Xm 两个基本基因
组[9]。细胞遗传学研究[10]、DNA序列分析[11-13]、基
因组原位杂交(GISH)[10]均表明 Ns基因组来源于
新麦草属(Psathyrostachys Nevski)植物。关于Xm
基因组的起源,目前还无定论。形态学证据推测
Xm基因组可能起源于拟鹅观草属(Pseudoroegne-
ria)的St基因组[14]或Thinopyrum bessarabicum
的Eb基因组[15]。细胞遗传学研究推测Xm基因组
可能起源于 Lophopyrum elongatum 的 Ee 基因
组[16]。然而,细胞遗传学和DNA杂交排除Xm基
因组起源于Eb和Ee基因组的可能性[10,17]。Zhang
等[17]认为Xm基因组的起源可能与 Ns基因组有
关。基于单拷贝细胞核Acc1基因和叶绿体trnL-F
序列的系统分析,X.Fan等[12]和L.N.Sha等[13]推测
Xm基因组的起源可能与冰草属(Agropyron)的P基
因组和旱麦草属(Eremopyrum)的F基因组有关。
本研 究 从 L.komarovii、L.duthiei 和 L.
duthiei var.longearistatus的多倍体类群个体中多
克隆测序5~6个GBSSI基因序列,并将这些序列
与新麦草属(Psathyrostachys)、拟鹅观草属(Pseu-
doroegneria)、冰草属(Agropyron)、旱麦草属(Ere-
mopyrum)、Thinopyrum bessarabicum 和 Lo-
phopyrum elongatum 的GBSSI 序列基因进行序
列和系统比较分析。拟探讨赖草属林下组物种的种
间系统关系和GBSSI基因在赖草属林下组物种中
的分子进化式样。
1 材料和方法
1.1 实验材料
本研究选用了L.komarovii、L.duthiei和L.
duthiei var.longearistatus 3个赖草属林下组植物
541
四川农业大学学报 第30卷
作为多倍体供试材料。L.komarovii采集于黑龙
江,L.duthiei采集于四川崇州,L.duthiei var.
longearistatus由日本京都大学S.Sakamoto博士提
供。为了将其与近缘二倍体的GBSSI基因序列进
行系统比较分析,除克隆测序了Psathyrostachys
huashanica (Ns)和 Eremopyrum distans (F)的
GBSSI基因序列外,还从 NCBI数据库中获得了5
个基本基因组二倍体供体物种的GBSSI序列作为
参照,它们是新麦草属的Psathyrostachys fragilis
(基 因 组:Ns,GenBank:AF079279)和 Psathy-
rostachys juncea (基 因 组: Ns, GenBank:
AF079280)、拟鹅观草属的Pseudoroegneria spica-
ta(基因组:St,GenBank:AF079281)、冰草属的
Agropyron cristatum (基 因 组:P,GenBank:
AY011002)、Thinopyrum bessarabicum (基因组:
Eb,GenBank:AF079283)、Lophopyrum elongatum
(基因组:Ee,GenBank:AF079284)。Bromus ca-
tharticus L.的GBSSI序列 DQ157055作为外类
群。所用材料的凭证标本存于四川农业大学小麦研
究所标本室(SAUTI)。
1.2 DNA提取、PCR扩增和测序
DNA的提取采用CTAB法[18]。用于系统分析
的GBSSI(9-14exon)序列使用特异引物,进行高保
真PCR扩增。引物由TaKaRa公司(TaKaRa,中国
大连)合成,引物序列:5′-TGCGAGCTCGACAA-
CATCATGCG-3′和5′-GGCGAGCGGCGCGATC-
CCTCGCC-3′。PCR 反应体系为50μL,其中含
dNTP 200μmol/L,引物1.5μmol/L,MgCl21.5
mmol/L,10×Exbuffer,Ex Taq酶1.5U(TaKa-
Ra),100ng总DNA为模板,加重蒸水至终体积为
50μL。PCR反应条件为:94℃预变性4min;以94
℃变性45s,65℃复性2min,72℃延伸1min,进
行5个循环;再以94℃变性30s,65℃复性40s,72
℃延伸40s,进行30个循环;最后72℃延伸8min。
PCR产物在 1.0% 的琼脂糖凝胶上电泳 (1×
TAE),条带分离后,用琼脂糖凝胶回收试剂盒(O-
mega,Georgia,USA)对其进行回收。然后,将回收
产物连接到pMD19-T载体上,以DH10B转化连接
产物,对转化子进行阳性筛选。每个供试材料筛选
5个阳性转化子进行测序,序列测定由华大基因(中
国上海)完成,测序结果进行手工校读。利用NCBI
中的Blast软件包对DNA序列进行比对分析,确认
GBSSI序列的可靠性。
1.3 数据分析
序列多重比对用 MegAlign软件(DNAStar,
Inc.)中的Clustal W 算法进行[19],辅以手工校正。
序列分析包括碱基替代频率、颠换/转换比以及序列
变异采用 MEGA4(Kumar S,Tamura K,Jakobs-
en I,Nei M,http://www.megasoftware.ne)进行
统计。基因序列多态性包括比对位点总数(n)、分
离位点数(s)、比对多态性平均数(π),分离位点多态
性平均数(θw),序列多态性分析由DnaSp4.0[20]统
计完成。比对多态性平均数π 是 Tajima估计
值[21],为每个位点上序列两两比较后的平均核苷酸
多样性。分离位点多态性平均数θw 是 Watterson
估计值[22],为每个位点上差异核苷酸的数目。
系统发育分析采用PAUP4.0b10软件进行最
大似然法(Maximum likelihood,ML)分析。利用
Modeltest 3.7[23]进行模型和参数估计,基于hLRT
标准选择最适碱基替代模型,GBSSI基因序列的最
适碱基替代模型为GTR+G。ML分析采用启发式
搜索(heuristic searches)和树二等分再连接(tree-
bisection reconnection,TBR)进行系统树构建,并
采用自展值分析(bootstraps,BS)进行检验。
2 结果与分析
2.1 GBSSI基因序列分析
本研究克隆测序了3个赖草属林下组植物(L.
komarovii、L.duthiei 和 L.duthiei var.
longearistatus)和2个基因组二倍体供体(Psathy-
rostachys huashanica和Eremopyrum distans)材料
的GBSSI序列,共获得17个GBSSI序列,其中从
多倍体植物中多克隆测序共获得15个序列。将所
有克隆获得的GBSSI序列与来自GenBank上代表
Ns、St、P、F、Ee、Eb 基因组的6个二倍体供体GB-
SSI序列进行排序后,共得到1 343个排列位点,包
括5个外显子和4个内含子,其中保守位点837个,
可变位点464个,简约信息位点255个,碱基序列转
换数(si)为19,碱基序列颠换数(sv)为24。
2.2 系统发育分析
采用 ML法进行系统发育树构建,图1显示的
是 GBSSI 基 因 的 ML 树 (-Ln likelihood=
6 044.599 27;A=0.222 00,C=0.271 20,G=
0.296 60,T=0.210 20;GTR+G model,Shape pa-
rameter(alpha)=0.430 5),分支上的数字代表自展
评估值。系统发育分析将所有23个GBSSI序列分
成3个分支(Clade Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)。Ⅰ支包括 L.
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第2期 王晓丽(等):赖草属林下组植物GBSSI基因序列的系统发育与分子进化
duthiei的3个克隆(Leymus duthiei Clone 1、2和
3)、L.duthiei var.longearistatus的2个克隆(Ley-
mus duthiei var.longearistatus Clone 1和2)、Psa.
huashanica、L.komarovii 的 2 个 克 隆 (Leymus
komarovii Clone 1和2)、Psa.fragilis和Psa.jun-
cea(76%BS)。这些多倍体GBSSI基因序列与二
倍体的新麦草属植物聚为一支,因此代表 Ns基因
组克隆类型。在Ⅰ支中,L.duthiei、L.duthiei var.
longearistatus和L.komarovii的各个克隆序列分
别 形 成 单 系。L.duthiei 和 L.duthiei var.
longearistatus为姊妹组(100% BS)。Psa.huas-
hanica与L.komarovii聚在一起(80% BS)。Psa.
fragilis和Psa.juncea处于Ⅰ支的基部。Ⅱ支包
括L.duthiei的2个克隆(Leymus duthiei Clone 4
和5)、L.duthiei var.longearistatus的3个克隆
(Leymus duthiei var.longearistatus Clone 3、4和
5)、L.komarovii的2个克隆(Leymus komarovii
Clone 4和5)(100%BS)。该支序列不与新麦草属
植物聚在一起,因此代表Xm基因组克隆类型。Ⅱ
支中,L.duthiei和L.duthiei var.longearistatus先
聚在一组(90%BS),然后再与L.komarovii聚成一
支。Ⅲ支包括 Pse.spicata、A.cristatum、E.dis-
tans、T.bessarabicum和Lo.elongatum (84%BS)。
2.3 序列多态性分析
赖草属林下组植物及新麦草属植物GBSSI基
因序列多态性估计列于表1。林下组植物 Ns和
Xm基因组拷贝类型的序列多态性分离位点数分别
为135和76。新麦草属植物Ns基因组类型的序列
多态性分离位点数数为94。林下组植物Ns基因组
拷贝类型的序列多态性参数为π=0.038 3和θw=
0.037 0,而Xm基因组拷贝类型的序列多态性参数
为π=0.021 4和θw=0.025 0。新麦草属植物Ns基
因组序列序列多态性参数为π=0.053 4和θw=
0.053 4。
图1 基于GBSSI基因序列的赖草属及其近缘属植物的 ML系统发育树
Figure 1 Phylogenetic tree derived fromGBSSIsequences using maximum
likelihood fromLeymus and it putative diploid species
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四川农业大学学报 第30卷
表1 赖草属林下组植物及新麦草属
植物GBSSI基因序列多态性估计
Table 1 Estimates of nucleotide diversity and test
statistics at GBSSIlocus in Leymus and Psathyrostachys
Species Genome n s π θw
Leymus Ns 1 177 135 0.038 3 0.037 0
Xm 1 174 76 0.021 4 0.025 0
Psathyrostachys Ns 1 174 94 0.053 4 0.053 4
3 讨论
3.1 赖草属林下组植物种间关系
形态上,L.duthiei、L.duthiei var.longearista-
tus和L.komarovii高度相似,均呈疏丛或单杆生于
林下、无根茎或具短根茎,叶片广披针形、颖常退化。
它们归为猥草属(Hystrix Monench)并被作为
Hystrix duthiei、Hystrix longearistata和Hystrix
komarovii处理[9,24]。根据形态和细胞遗传学证据,
颜济等[9]将L.duthiei、L.duthiei var.longearista-
tus和L.komarovii组合形成赖草属林下组。M.
Doebeli等[25]认为地理隔离对物种形成具有重要作
用,理论上分布邻近的属内种间物种亲缘关系较近。
自然分布上,L.duthiei呈间断分布于尼泊尔西部及
中国西南山区,L.duthiei var.longearistatus分布
于日本,L.komarovii分布于我国东北及俄罗斯远
东 地 区。 根 据 地 理 分 布,L.duthiei var.
longearistatus与L.komarovii的种间关系可能比
L.duthiei和L.duthiei var.longearistatus的关系
近。本研究的 Ns和Xm基因组GBSSI序列系统
发育 分 析 显 示 L.duthiei 和 L.duthiei var.
longearistatus形成姊妹组,而L.komarovii处于该
姊妹组的外围。该结果表明地理分布上距离较远的
L.duthiei和L.duthiei var.longearistatus具有密
切的亲缘关系,而地理分布上距离较近的L.komar-
ovii和L.duthiei var.longearistatus亲缘关系相对
较远。一种可能的解释是 L.komarovii 与 L.
duthiei和L.duthiei var.longearistatus在多倍化
物种形成过程中的亲本不同所致。本研究的系统发
育分析进一步显示Psa.huashanica与L.komaro-
vii聚在一起(80%BS),推测Psa.huashanica可能
作为Ns基因组供体参与L.komarovii的物种形
成。L.duthiei和L.duthiei var.longearistatus单
独聚在一起(100% BS),推测可能不是Psa.huas-
hanica而是其他新麦草属植物参与二者的物种形
成。因此,不同亲本供体参与多倍化物种形成可能
导致L.komarovii与L.duthiei和L.duthiei var.
longearistatus在遗传上产生了分化。本研究结果
支持L.duthiei和L.duthiei var.longearistatus互
为种与变种的分类等级。
3.2 赖草属林下组植物GBSSI基因的分子进化
复制基因进化的动力学问题一直是进化生物学
家研究的热点问题[26]。R.L.Smal 等[27]分析了乙
醇脱氢酶基因(Adh)在四倍体棉花及其二倍体供体
中进化速率,发现AdhA-AdhE基因的进化速率在
四倍体棉花与二倍体中的突变速率不同。M.Barri-
er等[28]发现花调控基因APETALA1(ASAP1)和
APETALA3(APETALA3/TM6)在多倍体物种的
进化速率比其在二倍体中的进化速率高。K.S.
Caldwel等[29]对六倍体小麦 D 基因组及其供体
Aegilops tauschii(D基因组供体)的 Xwye838和
Gss基因的多态性分析,发现Gss基因在六倍体小
麦D基因组中的多态性比Ae.tauschii的多态性明
显减少。X.Fan等[12]对赖草属物种及其Ns基因组
供体的单拷贝细胞核Acc1基因多态性分析,表明多
倍体的Acc1基因多态性水平高于二倍体的新麦草
属植物Ns基因组序列多态性水平。本研究的赖草
属林下组植物中,GBSSI基因序列在Ns基因组拷
贝上的多态性水平(π=0.038 3和θw=0.037 0)明
显低于新麦草属植物Ns基因组序列序列多态性(π
=0.053 4和θw=0.053 4)。该结果与K.S.Caldwel
等[29]的研究结果一致。赖草属林下组植物GBSSI
基因序列多态性水平降低暗示它们在长期相对独立
的进化过程中可能受到遗传瓶颈效应的影响。
A.L.Lawton-Rauh等[30]分析多倍体夏威夷珍
珠粟的ASAP1和ASAP3/TM6基因多态性水平
显示复制基因在该多倍体中的多态性水平不同。
Adh基因家族的AdhA 和AdhC 在四倍体棉花的
D基因组上的多态性水平高于其在 A基因组上的
多态性水平[27]。RPB2基因在StH 基因组物种的
St基因组上的多态性水平也被检测出高于该基因
在 H基因组上的多态性水平[31]。本研究中,我们
发现GBSSI基因在赖草属林下组植物 Ns基因组
上的多态性水平(π=0.038 3和θw=0.037 0)高于
其在Xm基因组上的多态性水平(π=0.021 4和θw
=0.025 0)。该结果与前人的研究结果并不矛
盾[27,30-31],表明复制基因在多倍体中多态性水平是
不平等的。
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第2期 王晓丽(等):赖草属林下组植物GBSSI基因序列的系统发育与分子进化
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(本文审稿:程剑平;责任编辑:秦碧雯;英文编辑:刘益平)
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