全 文 ：　 　第 38 卷　第 3 期
1999 年　5月
中山大学学报 (自然科学版)
ACTA　SCIENTIARUM　NATURALIUM
UNIVERSITATIS　SUNYATSENI
　
Vol.38　No.3
May　1999
　
文章编号:0529-6579 (1999)03-0063-05
拟单性木兰属近缘植物 matK基因的序列分析
潘恒昶 , 施苏华 , 金　虹 , 黄椰林 , 张宏达
(中山大学生命科学学院 , 广东 广州 510275)
摘　要:测定了木兰科(Magnoliaceae)拟单性木兰属(Parakmeria)等 10 种(11个样)植物的叶绿
体 DNA matK基因部分序列(1 039碱基对).最大同源性分析构建的系统树图建议:①拟单性
木兰属与单性木兰属 (Kmeria)有极近的同源关系;②木兰属 (Magnolia)的玉兰亚属 (Sub-
genus Yulania)与拟单性木兰属和单性木兰属关系亦很近 , 并形成 1个单系分支;而木兰属的 2
个亚属 , 木兰亚属 (Subgenus Magnolia)与玉兰亚属之间的关系却较远 , 木兰属内呈并系演化
特征;③木兰亚属 , 木莲属 (Manglietia)以及玉兰亚属 、 拟单性木兰属和单性木兰属所组成
的分支形成一个单系分支.拟单性栏属 、 单性木兰属的系统位置 , 以及它们与栏属之间的关
系需要重新考虑.
关键词:拟单性木兰属;木兰科;叶绿体 DNA matK基因;系统发育
中图分类号:Q 78　　文献标识码:A
拟单性木兰属 (Parakmeria Hu et Cheng)与单性木兰属 (Kmeria Dandy)是否成立及其
归属一直是木兰科 (Magnoliaceae)植物分类学研究领域长期争论的问题.刘玉壶[ 1]认为该
两属成立 , 并同属于木兰族 (Magnolieae)的木兰亚族 (Magnoliinae).而 Chen等[ 2]则认为
单性木兰属成立 , 但拟单性木兰属应归入木兰属 (Magnolia).但也有人认为它们都可以
归于木兰属内 (张宏达 , 学术讨论).刘玉壶等[ 3]更提出要把单性木兰 Kmeria septentrionlis
从单性木兰属中分出 , 另立为一属 , 即焕镛木属 (Woonyoungia).但各家对于它们同属于
木兰亚族则都没有异议.本研究以叶绿体DNA matK基因为分子指标 , 测定了木兰科拟单
性木兰属等 10种植物叶绿体 DNA matK基因的部分序列 (1 039碱基对), 比较其同源性
关系 , 从分子系统学角度为探讨拟单性木兰属与单性木兰属的系统位置提供新的证据.
1　材料与方法
1.1　材　料
选用植物的新鲜叶片作为 DNA提取的材料.样品来源见表 1.
基金项目:国家杰出青年基金 (39825104);国家自然科学基金 (39970057);广东省自然科学基金
(970190)资助项目　　通讯联系人:施苏华
收稿日期:1998-10-15　　作者简介:潘恒昶 , 男 , 1975 年生 , 现工作单位:广州市医药公司.
表 1　本研究所用木兰科和外类群的材料来源
Tab.1　Accessions of Magnoliaceae and its outgroups sampled in this study
编号 种名 (属) 标本凭证号 样 品 来 源 注册号
1 红茴香(外类群) J.P.274(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123463
2 齿叶阿丁枫(外类群) Hao155(中山大学) 中山植物园 ,南京 AF133223
3 绢毛木兰(木兰属) T.C01(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123464
4 玉兰(木兰属) S.Shi306(中山大学) 中山大学校园 ,广州 AF123465
5 单性木兰(雌株 ,单性木兰属) J.P.261(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123471
6 单性木兰(雄株 ,单性木兰属) J.P.262(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123472
7 云南拟单性木兰(拟单性木兰) J.P.264(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123474
8 乐东拟单性木兰(拟单性木兰) J.P.263(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123475
9 峨嵋拟单性木兰(拟单性木兰) T.C02(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123476
10 毛桃木莲(木莲属) S.Shi 144(中山大学) 黑石顶自然保护区 ,广东 AF123477
11 海南木莲(木莲属) T.C74(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123480
12 鹅掌楸(鹅掌楸属) J.P.275(华南植物所) 华南植物园 ,广州 AF123481
1.2　实验方法
1.2.1　植物 DNA的提取与纯化　采用 CTAB法[ 4]提取植物总 DNA , 并用玻璃粉纯化试剂
盒 (自制)进行纯化.
1.2.2　PCR 扩增 matK 基因 　采用 2 套引物:MG1 与 MG15 , trank-3914F 与 trank-2R
(Johnson and Soltis , 1994), 其中MG1和MG15引物扩增的效果较好.PCR扩增按以下程序
进行:
25个循环
　　94 ℃ 5 min 94℃1min 50 ℃1 min 72℃3min 72 ℃ 10 min 4 ℃ 保存
1.2.3　PCR产物的纯化　采用 Ultrafree-MC filters (Millipore)纯化试剂盒 , 除去未反应的
PCR引物与 dNTPs.
1.2.4　测序　本实验不经分子克隆 , 而将纯化后的 PCR产物直接进行双链测序.采用双
脱氧链终止法[ 5] , 用 T7 DNA Sequenase Version 2.0 Kit(Amersham), 以α-35S-dATP 作为放射
性探针.测序采用了 3个引物:MS3R , MS2F , matK-1470R[ 6] .测序反应产物用 6%聚丙
烯酰胺凝胶电泳进行分离 , 50 ℃干燥3 h , 放射自显影.
1.2.5　数据处理　利用 PAUP 3.1.1软件包[ 7]按照最大同源性原则将所测序列进行排列比
较 , 得出相互间的差异数值即序列间相同点的核苷酸差异数.按照 Kimura[ 7]的公式对核苷
酸差异数进行校正:
Knuc=1/2ln [(1-2P-Q) 1-2Q]
其中 , P 为转换型核苷酸差异与总核苷酸数比;Q 为颠换型变异与总核苷酸数比.
2　结果与讨论
对测序结果进行最大同源性排列 , 用 PAUP 3.1.1软件包进行统计分析 , 得出各种间
的核苷酸差异数及 Knuc值 , 列于表 2.可以看出:单性木兰雌雄株之间序列完全一致 , 没
有1个核苷酸的差别;拟单性木兰属的 3个种之间 , 仅乐东拟单性木兰 (Parakmeria lotun-
gensis)有 1个核苷酸的差异 (187位);拟单性木兰属与单性木兰属之间只有 3个核苷
64 中山大学学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　　　第 38 卷
表 2　Kimura二参数矩阵1)
Tab.2　Kimura two-parameter sequence divergence values of taxa in Parakmeria and its related genera of Magnoliaceae
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 - 0.178 0.126 0.118 0.118 0.118 0.120 0.118 0.120 0.120 0.123 0.123
2 113 - 0.149 0.146 0.147 0.147 0.145 0.144 0.145 0.146 0.149 0.157
3 82 150 - 0.013 0.014 0.014 0.012 0.012 0.011 0.012 0.011 0.020
4 77 147 13 - 0.006 0.006 0.005 0.003 0.004 0.011 0.012 0.026
5 77 148 15 6 - 0.000 0.005 0.003 0.004 0.013 0.014 0.027
6 77 148 15 6 0 - 0.005 0.003 0.004 0.013 0.014 0.027
7 78 146 12 5 5 5 - 0.002 0.001 0.012 0.011 0.027
8 7 145 12 3 3 3 2 - 0.001 0.010 0.011 0.026
9 78 146 11 4 4 4 1 1 - 0.011 0.010 0.027
10 78 147 12 11 13 13 12 10 11 - 0.001 0.024
11 79 148 11 12 14 14 11 11 10 1 - 0.026
12 80 145 19 24 25 25 25 24 25 23 24 -
　编号同表 1;表中左下角数字为核苷酸绝对差异数 , 右上角数字为 K nuc
酸 (205位 , 619位和 639位 , 见表 2)的差
别.拟单性木兰属 , 单性木兰属和木兰属的
玉兰亚属的绝对核苷酸差异数仅介于 3 ～ 6
之间 , 而它们与木兰亚属的核苷酸差异数则
达13.拟单性木兰属和单性木兰属与木兰
亚属的绝对核苷酸差异数介于 11 ～ 15之间.
根据这些数据结果 , 用 PAUP 3.1.1软件包 ,
采用穷举法筛选出最佳的 3棵系统树 , 列于
图1中.
关于拟单性木兰属与单性木兰属的系统
位置是木兰科分类学研究中长期争议的问
题.由于其形态解剖学特征与木兰亚科的其
余各属均有重叠现象 , 有学者[ 2 ,7] 将这两属
归入木兰属.Canright[ 10]根据单性木兰属在
51
97
7
2
4
90
3
98
11
1
0
0
1
0
0
5
95
8
72
48
100
1
55
1
57
0
I.hennryi 274
A.gracilipes 155
Mag.albosericea C01
Mag.denudata 306
K.septentrionlis 261
K.septentrionlis 264
P.yunnanensis 264
P.omeiensis C02
P.lotungensis 263
M .moto 144
M .hainanensis 74
L.chinense 275
图 1　系统发育树图
Fig.1　Strict consensus tree
木材解剖形态上与产热带的木兰属种类无区别 , 也将该属归入木兰属.刘玉壶[ 1]则以雌蕊
群具柄为主要依据 , 主张拟单性木兰属应成立 , 同时也认为单性木兰属应该独立成属.他
在 1997年的新系统中又进一步将单性木兰属中的单性木兰分出来成为一新属 , 即焕镛木
属.Chen等[ 2]亦认为单性木兰为一独立的属.但他们将拟单性木兰归入木兰属内.
本研究的结果表明 , 在所比较的 1 039碱基对长的叶绿体 DNA matK 基因序列中 , 拟
单性木兰属与单性木兰属之间仅有 3个核苷酸的差别 (见表 2), 表明它们之间的关系非
常密切 , 它们组成了 1个单元的分支 , 但此分支仅得到了 57%的计算机自展数据支持率
(bootstrap)的支持.同时 , 两者与木兰属的落叶种类玉兰亚属 (Subg.Yulania)的玉兰
(Magnolia denudata)的核苷酸差异也仅为3 ～ 6个.从 matK基因序列分析所得的系统发育
树图 (图 1)中可以看到 , 玉兰与拟单性木兰属的3个种 , 单性木兰属的雌雄株组成的分
65第 3 期　　　　　　　潘恒昶等:拟单性木兰属近缘植物 matK基因的序列分析
支呈单系演化关系 , 这一结果得到了 98%的计算机自展数据支持率的支持.值得注意的
是 , 木兰属的另 1个亚属常绿的木兰亚属的绢毛木兰 (Magnolia albosericea)则与拟单性木
兰 、 单性木兰及玉兰之间的核苷酸差异则相对较大 (绝对核苷酸差异数介于 11 ～ 15之间 ,
见表2与图1);木莲属的 2个种 、 木兰亚属 、以及玉兰亚属 、 拟单性木兰属和单性木兰属
的共同分支形成 1个单系的分支 , 此得到了 72%的计算机自展数据值得支持.这一结果
表明 , 在 matK基因的序列分析中 , 木兰属内部呈并系演化的特征 (见图 1).玉兰亚属与
拟单性木兰 、单性木兰之间关系比与木兰亚属的关系更近 , 此意味着拟单性木兰属和单性
木兰属应独立的意见不能得到叶绿体 DNA matK基因序列分析结果的支持.同时木兰属的
木兰亚属与玉兰亚属之间的分子差异相对较大 (为 13), 因此 , 木兰属 、 拟单性木兰属 、
以及单性木兰属的系统位置应该重新考虑.另一个有意义的结果是木莲属 、木兰亚属与玉
兰亚属 、拟单性木兰属及单性木兰属的分支 , 共同形成 1个单元的分支而与鹅掌楸属分
立 , 这得到了 72%计算机数据自展值支持 (见图 1).总体来说 , 本研究所分析的所有木
兰科植物形成了 1个单元的类群 (其多数支持率为 100%, 见图 1);这结果表明 , 不支持
鹅掌楸亚科独立出去成为鹅掌楸科 (Liriodendraceae)的主张 , 但鹅掌楸属与木兰科的其余
各属差异确实相对较大 (核苷酸绝对差异数为 19 ～ 25之间), 将其分为鹅掌楸亚科是合适
的.
80年代以来 , 人们常用叶绿体 DNA的 rbcL基因序列分析来帮助解决系统学上长期悬
而未决的问题.虽然 rbcL基因研究取得一定成果 , 但由于 rbcL 基因的进化速度较慢 , 对
于科以下的分类则不能取得令人满意的结果[ 10] .叶绿体 DNA matK 基因序列可以弥补
rbcL基因的不足.已经证明 matK基因序列分析可以用来作科以下水平的系统发育关系的
分析[ 10 ,11] .matK位于叶绿体 DNA trnK基因高度保守的 2个外显子之间.以前的研究证
实 matK基因的3′端比较保守 , 而 5′端则变异较大[ 10] .因此整个 matK基因可以用来作不
同水平的系统发育分析.用于科间水平的分析 , matK基因的 3′端能提供足够的信息;而
用于科内水平的分析 , 则 5′端能提供足够的信息.本研究的结果发现 , 拟单性木兰属和单
性木兰属与木兰属的差异还不到所测序列长度的 2%, 木兰属与木莲属的差异也不到 2%.
由此可以看出本研究所测得的 matK基因片段的序列相当保守 , 因而对于木兰科内的分类
和系统发育研究而言也显得过于保守.进一步的工作可以集中向5′端测得更长些 , 或利用
某个进化速率更快的基因深入研究木兰科内各类群的系统发育关系.
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Phylogeny of Parakmeria(Magnoliaceae)and Its Related Taxa
Inferred from the matK Gene Sequence
PAN Heng-chang , SHI Su-hua , JIN Hong , HUANGYe-lin , ZHANGHong-ta
Abstract:The 1 039 bp sequences of the chloroplast matK gene from nine species(ten samples)re-
lating to Parakmeria and Kmeria of Magnoliaceae were determined.The phylogenetic tree based on
Parsimony analysis suggested:①The three species of Parakmeria and the two samples (including
male and female)of Kmeria were highly homologious , which indicated a very close relationships among
them;② the Subgenus Yulania of Magnolia was shown very closely to Parakmeria and Kmeria(the
sequence divergences among them were 3 ～ 6 in 1 039 bps), and they formed a monophyletic clade.
However there is a rather far relationship between the two subgenera Subgenus Yulania and Subgenus
Magnolia (the sequence divergence was 13), which was suggested to be paraphyletic;③ the mono-
phyly was strongly supported among the Subgenus Magnolia , Manglietia and the clade of Magnolia
Subgenus Yulania , Parakmeria and Kmeria.The phylogenetic position of Parakmeria and Kmeria ,
and the rrelationships among them and Magnolia need to be re-considered.
Keywords:Parakmeria;Magnoliaceae;matK gene;phylogeny
67第 3 期　　　　　　　潘恒昶等:拟单性木兰属近缘植物 matK基因的序列分析
School of Life Sciences , Zhongshan University , Guangzhou 510275 , China