全 文 ：中国科学: 生命科学 2016年 第 46卷 第 3期: 260 ~ 268

SCIENTIA SINICA Vitae life.scichina.com

引用格式: 钟永达, 胡淼, 余发新. 鹅掌楸属树种分子生物学研究进展. 中国科学: 生命科学, 2016, 46: 260–268
Zhong Y D, Hu M, Yu F X. Research advances in molecular biology of Liriodendron. Sci Sin Vitae, 2016, 46: 260–268, doi: 10.1360/N052015-00292
© 2016《中国科学》杂志社 www.scichina.com
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
评 述
鹅掌楸属树种分子生物学研究进展
钟永达, 胡淼, 余发新*
江西省科学院生物资源研究所, 江西省观赏植物遗传育种重点实验室, 南昌 330096
* 联系人, E-mail: fxyu2000@126.com
收稿日期: 2015-10-09; 接受日期: 2015-11-16; 网络版发表日期: 2016-03-04
国家自然科学基金(批准号: 31260188)和江西省学术带头人计划(批准号: 20133BCB22012)资助

摘要 鹅掌楸属树种是珍稀的第三纪孑遗树种, 也是优良的用材兼园林绿化树种. 开展鹅掌楸属树种研究,
不仅具有重大科学意义, 而且具有重要的经济和生态价值, 但该属的分子生物学研究相对缓慢. 本文从分子标
记、转录组学、蛋白质组学、基因克隆和转基因等方面对鹅掌楸属树种的分子生物学研究进展进行综述, 并就
当前亟需解决的问题进行讨论, 以期为加快分子生物学技术在鹅掌楸属乃至其他树种研究中的应用提供参考.
关键词 鹅掌楸属, 分子标记, 组学, 转基因, 基因组



鹅掌楸属(Liriodendron)树种现仅存两个种 , 即
鹅掌楸(Liriodendron chinense (Hemsl.) Sarg.)和北美
鹅掌楸(Liriodendron tulipifera Linn.), 分别分布在中
国长江流域及越南北部和美国东部至加拿大东南部,
是典型的东亚-北美间断分布“种对”[1]. 鹅掌楸属树
种被认为是被子植物中最原始的类群, 是珍稀的第
三纪孑遗树种, 对研究有花植物的起源、分布和系统
发育有重要价值; 同时, 鹅掌楸属树种也是优良的用
材和园林绿化树种. 因此, 基于其在植物分类中的特
殊地位、优良材性和美观树形, 开展鹅掌楸属树种的
分子生物学研究, 不仅对古植物学、植物系统学和植
物地理学等进化研究方面具有极高的科学价值, 而
且在用材和观赏品种的遗传改良方面具有重要的经
济和生态价值.
鹅掌楸属树种研究时间相对较短, 引起学者的
关注始于 1963 年叶培忠教授种间杂交试验的成功[2],
热点的兴起为 20 世纪 90 年代至今的二十余年. 鉴于
鹅掌楸属树种的生长和分布情况, 国内学者主要开
展鹅掌楸及杂交鹅掌楸的研究, 包括种质资源、系统
进化和杂交育种等方面, 国外学者的研究对象基本
为北美鹅掌楸. 该属的分子生物学研究时间更短, 最
早的报道见于 1990 年美国 Parks 和 Wendel[1]对鹅掌
楸属树种的遗传分化研究, 国内的研究从 21 世纪初
才开始. 学者们力求利用现代先进生物技术加快鹅
掌楸属树种的研究进程, 也取得了诸多有益的成果
和突破, 但受到林木自身特性和资源洲际隔离的影
响, 总体进展相对缓慢, 其更多的价值还有待挖掘.
本文按照分子生物学的技术领域从分子标记、转录组
学、蛋白质组学、基因克隆和转基因等方面对现有的
研究成果进行综述, 并就当前亟需解决的问题进行
讨论, 以期为加快分子生物学技术在鹅掌楸属乃至
其他树种研究中的应用提供参考.
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1 分子标记
分子标记是一类以 DNA 多态性为基础的遗传标
记, 是 DNA 水平遗传变异的直接反映. 目前, 国内
外学者利用分子标记对鹅掌楸属树种的遗传多样性、
系统地理学、遗传图谱及指纹图谱构建、生殖生物学、
杂种优势及亲本选配等方面进行了研究.
1.1 遗传多样性研究
遗传多样性的研究对于了解鹅掌楸属树种的种
源适应性、基因资源分布、种质资源的利用和保护等
具有重要的理论和实际意义[3]. 从 20世纪 80, 90年代
开始, 国内外学者对鹅掌楸属树种的种质资源分布
进行了调查收集, 并对其遗传多样性进行了初步研
究 [4,5]. 此后 , 国内学者利用随机扩增多态性 DNA
(random amplification polymorphic DNA, RAPD)、简
单序列重复(simple sequence repeats, SSR)和限制性片
段长度多态性 (restriction fragment length polymor-
phism, RFLP)等分子标记开展了深入研究 . 结果表
明, 鹅掌楸属树种具有丰富的遗传多样性, 北美鹅掌
楸的遗传多样性水平高于鹅掌楸; 鹅掌楸的遗传变
异主要来自种源间, 西部种群遗传多样性明显高于
东部种群, 核心居群高于边缘居群[6~12]. 但与其他物
种相比, 鹅掌楸的遗传多样性稍低, 这表明, 鹅掌楸
种群仍处于“濒危ˮ生境中, 急需开展鹅掌楸种质资源
保护[8]. 随着高通量测序技术的发展, 简化基因组重
测序等新型分型技术的出现为大样本量的遗传多样
性研究提供了新的方法和思路, 此外, 鹅掌楸属核心
种质资源的建立和保存仍有待加强.
南京林业大学研究团队利用 SSR 分子标记首次
对鹅掌楸群体的遗传多样性动态变化趋势进行了研
究. 李博等人发现鹅掌楸亲本群体遗传多样性高于
子代群体, 表明鹅掌楸群体间遗传分化有增大的趋
势[13,14]. 与此相反, 陈龙[15]研究表明, 子代群体遗传
多样性略大于亲本天然群体, 推测在自然状况下, 鹅
掌楸具有遗传多样性自我保持的机制. 两者结论不
同, 可能与两者所用的群体种源以及来源不同有关,
而且相对于天然群体, 人工群体的自我保护机制要
低, 其子代的遗传多样性很可能会低于亲本. 当然,
关于鹅掌楸遗传多样性的动态变化趋势尚需进一步
研究证实[14].
1.2 系统地理学研究
Sewell 等人 [16]利用叶绿体基因组 (chloroplast
DNA, cpDNA)上的 RFLP 标记对北美鹅掌楸地理分
布格局的形成进行了研究, 认为在更新世冰期时期,
阿巴拉掣亚山脉南部和佛罗里达中部地区存在 2 个
相互隔离的避难所. 而惠利省结合 cpDNA上的RFLP
和 SSR 标记研究认为, 鹅掌楸同样可能存在东、西部
2 个不同的避难所, 分别位于武夷山脉南麓、云贵高
原和四川南部. 冰期后, 2 个避难所鹅掌楸向北方的
不同方向扩散, 并交汇于重庆、贵州、湖南、湖北交
界处 [8]. 李康琴 [7]利用 2 个叶绿体基因(psbA-trnH,
trnT-trnL)的序列变异信息研究结果也认为, 鹅掌楸
东、西部群体的第四纪冰期避难所位于福建武夷山南
麓和贵州习水大娄山北坡. 但杨爱红[11]基于 cpDNA
SSR 标记的研究认为, 云贵高原、大巴山区、天目山、
武夷山、大别山及罗霄山脉北部地区均为鹅掌楸的主
要冰期避难地, 且在末次大冰期不存在明显南迁, 冰
后期无显著扩张. 尽管 cpDNA 标记由于其单倍型、
不发生等位基因重组等优点而被认为是植物系统地
理学研究的首选标记, 但由于其单系遗传, 不能反映
另一亲本对种群遗传结构的贡献; 另一方面, 利用单
个核基因组内转录间隔区(internal transcribed space,
ITS)基因序列信息也不能对鹅掌楸属 2个种进行有效
区分[7], 因此, 越来越多学者开始将多个不同来源或
不同功能的 DNA 序列标记组合, 以期得到更接近真
实的系统发育历史[1,7]. 李康琴[7]结合 2个叶绿体基因
(psbA-trnH, trnT-trnL)及 1 个核基因 ITS 的序列变异
信息研究认为, 鹅掌楸属树种早期分东亚和北美两
支, 随后在这两个大陆上各自分布扩散, 独立进化,
且冰期后均经过群体扩张, 成为现在的鹅掌楸和北
美鹅掌楸.
1.3 遗传图谱与 DNA指纹图谱的构建
对于鹅掌楸属树种而言, 建立高密度的遗传图
谱可以加快全基因组的研究, 实现对特定性状的遗
传分析与基因定位. 南京林业大学林木遗传育种实
验室利用鹅掌楸属种间杂交组合的作图群体, 首次
构建了分子标记遗传图谱. 李兴鹏[17]和杨建[18]分别
以鹅掌楸属种间正反交组合 F1 群体为材料, 利用表
达序列标签的 SSR(expressed sequence tags-SSR,
EST-SSR)和相关序列扩增多态性 (sequence-related
钟永达等: 鹅掌楸属树种分子生物学研究进展

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amplified polymorphism, SRAP)标记, 构建得到了 2
个鹅掌楸遗传连锁图谱. 然而, 由于 2 个图谱所采用
的标记数目太少, 两个标记之间距离大于 20 cM的很
多, 构建的连锁群和鹅掌楸的 19 条染色体不能一一
对应, 图谱质量不高, 尚需进一步加密和完善. 而且,
鹅掌楸属树种特定性状作图群体仍有待建立.
利用分子标记构建鹅掌楸属树种无性系的指纹
图谱, 不但可以阐明无性系间在分子水平上的遗传
变异, 而且对于无性系鉴定和知识产权保护具有重
要意义. 李周岐和王章荣[19]利用 RAPD 分子标记首
次构建得到了杂交鹅掌楸无性系指纹图谱, 聚类分
析表明, 其在一定程度上反映了无性系间的亲缘关
系. 此后, 王龙强[20]利用 16 对 EST-SSR 标记组合构
建了 330 个杂交鹅掌楸无性系的指纹图谱, 其中 13
个无性系仅用 1 对标记就能够与其他无性系完全区
分. 谭飞燕[21]利用 ISSR 标记 UBC826 区分出 41 个鹅
掌楸无性系, 而 UBC807 和 UBC826 标记组合能区分
出全部 53 个无性系, 说明了分子标记在无性系基因
型鉴定上的高效性. 然而, 目前鹅掌楸属树种无性系
指纹图谱可利用的分子标记仍偏少, 标准指纹图谱、
检测标准和规范仍需进一步完善.
1.4 生殖生物学研究
在人工授粉状态下, 鹅掌楸属树种种间杂交授
粉的污染率极低[22]. 而在自由授粉状态下, 鹅掌楸属
树种具有自交、种内交配和种间交配等多种交配方
式, 但以异交为主, 且种内交配比例大于种间交配.
鹅掌楸属树种母本和北美鹅掌楸父本存在明显的性
选择倾向 , 而鹅掌楸父本的性选择倾向则不明
显 [23,24], 冯源恒等人 [25]也认为鹅掌楸繁殖性能主要
受母本效应影响, 但张红莲[14]认为优势种存在更强
的基因渐渗趋势. 与北美鹅掌楸天然自交完全不亲
和相比, 鹅掌楸存在一定的自交率, 且在居群中引入
适当的传粉者, 可显著提高花粉流的散布范围和传
送效率. 推测鹅掌楸在种群规模小且距离分散的特
殊环境下, 为提高种群的短期适合度, 可能在一定程
度上提高了自交亲合性 [23,26]. 但与种内异交和种间
杂交子代相比, 无论是生长量还是存活率, 鹅掌楸属
树种均存在明显的自交衰退[27].
1.5 杂种优势及亲本选配
杂交鹅掌楸及其回交子代和 F2 代均表现出明显
的杂种优势, 而且家系间在性状表现上变异很大[28].
南京林业大学李火根教授团队[29,30]利用 EST-SSR 分
子标记对鹅掌楸属杂种优势与亲本选配进行了广泛
而深入的研究. 他们认为, 用亲本间遗传距离进行杂
种优势和亲本选配预测是可行的, 子代生长量与亲
本间遗传距离呈二次曲线相关, 但并非所有的种间
杂种子代都表现出杂种优势. 在进行杂交育种亲本
选配时 , 亲本对之间最适的遗传距离应为 1.0 左
右[25,31]. 同时, 应兼顾亲本的遗传组成, 尽可能选择
遗传组成高度纯合的个体作为杂交亲本[32]. 这在一
定程度上印证了杂种优势的基因网络假说, 亲缘关
系太远则导致遗传体制不相容增加, 难以产生杂种
优势, 若亲缘关系太近则不具有互补性, 无法彼此促
进和调整, 也不会存在杂种优势[33].
2 功能基因组学研究
2.1 转录组学研究
通过转录组学的研究, 不仅可以提供大量候选
EST 序列, 对重要功能基因进行挖掘, 还可促进全基
因组研究. 国际花卉基因组计划于 2005 年首次构建
了北美鹅掌楸 cDNA 文库[34]. 随后, 宾夕法尼亚州立
大学的 Liang 等人[35,36]和韩国大学 Jin 等人[37]构建了
北美鹅掌楸花芽、果实、顶芽、叶、形成层、木质部、
根、种子等多个组织器官的 cDNA 文库, 获得大量的
EST 序列, 筛选出一大批与花发生发育、木材形成及
次生木质部发育相关的基因. 本课题组[38]首次构建
了杂交鹅掌楸不定根均一化 cDNA 文库 , 共获得
2921个 unigenes, 筛选到获得一系列不定根发育相关
基因. 随着第二代测序技术的出现, 南京林业大学
Yang 等人[39]首次进行了鹅掌楸转录组测序, 拼接后
获得 87841 条 unigenes. 3386 个 unigenes 在花和叶子
中的表达具有显著差异, 其中 25 条 unigenes 可能与
类胡萝卜素合成相关. 而随着对 microRNA(miRNA)
在调控植物生长发育中的作用的认识不断深入, 南
京林业大学 Li 等人[40]利用高通量测序技术对杂交鹅
掌楸体细胞胚胎发生过程中的 miRNA 进行了测序,
发现其中 273 个 miRNA 为鹅掌楸属所特有, 基因芯
片结果进一步证明这些 miRNA 大多在胚胎中表达,
暗示这些 miRNA 可能在调控杂交鹅掌楸体胚发生的
整个过程中起着重要的作用. 武汉植物园的 Wang 等
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人[41]对鹅掌楸花各个发育阶段的 miRNA 进行了测
序, 共得到 498 个 miRNA, 其中大部分 miRNA 的表
达与生殖生长显著相关. 这两个新发现的 miRNA 中,
1 个以前被认为是裸子植物特有的, 但对其功能还有
待进一步研究. 这些结果不仅填补了基部被子植物
miRNA 研究的空缺, 有助于更深入理解 miRNA 的进
化过程, 也为今后深入了解鹅掌楸属树种有性生殖
和体胚发生的调控机制, 研究相关基因的功能和分
子机理奠定了基础, 同时为分子育种提供了丰富的
后备基因.
2.2 蛋白质组学研究
蛋白质组学的概念最早是 Marc Wilkins 在 1994
年提出, 标志着生命科学进入后基因时代. 国际上蛋
白组学的研究进展十分迅速, 无论是基础理论还是
技术方法, 都在不断进步和完善. 然而, 鹅掌楸属树
种的蛋白质组学研究目前仍处于起始阶段, 主要集
中于生殖生物学方面. 武汉植物园 Li 等人[42]通过对
鹅掌楸有性生殖授粉过程中雌蕊的蛋白质组学分析,
对鹅掌楸自然结籽率低下的原因进行了探讨. 通过
质谱定量技术(isobaric tags for relative and absolute
quantitation, iTRAQ)和双向凝胶电泳技术, 分别鉴定
到 51 和 468 个蛋白质的表达量在授粉前后发生变化.
对这些差异表达的蛋白质进行功能分类发现, 有 66
个蛋白质与有性生殖过程相关. 结合雌雄蕊发育和
花粉萌发等形态学观察结果, 进一步分析发现, 二硫
键异构酶 A6(disulfide-isomerase A6)和胚胎发育缺陷
蛋白(embryo-defective)等蛋白质的差异表达与低结
实率高度相关, 推测这些蛋白质调控了鹅掌楸的受
精过程. 南京林业大学 Zhen 等人[43]对杂交鹅掌楸无
性繁殖体胚发生过程中的胚性愈伤组织和非胚性愈
伤组织的蛋白组进行了比较分析, 共鉴定得到 14 个
参与胚性愈伤组织形成的蛋白质, 包括细胞骨架动
力学(profilin)、细胞增殖和分化(eIF-5A)、细胞程序
性死亡(cathepsin b-like cysteine proteinase)、活性氧平
衡(peptide Msr)、钙信号等. 这些研究结果为揭示鹅
掌楸属树种生殖生物学的分子机制提供了重要的理
论基础.
2.3 基因克隆与功能研究
(1) 木质素代谢相关基因. 木质素对植物生长
发育具有重要的作用, 北美鹅掌楸作为美国重要的
用材树种[44], 对其开展木质素代谢相关基因的研究
具有重要的应用价值. 肉桂醇乙醇脱氢酶(cinnamyl
alcohol dehydrogenase, CAD)是木质素合成特异途径
中的关键酶. Xu 等人[45]通过同源克隆的方法, 从北
美鹅掌楸中得到 7 个 CAD 同系物, 但只有 LtuCAD1
与控制木质素合成的基因真正的 CAD(bona fide
CAD)聚为一类, 且在木质部中表达量最高. 在拟南
芥(Arabidopsis thaliana) cad4cad5 双突变体中过表达
此基因, 转基因植株的木质素含量增加、S/G 木质素
比例降低, 表明 LtuCAD1基因参与木质素的形成. 漆
酶(laccases)参与了木质素的合成和降解, LaFayette等
人[46]从北美鹅掌楸的木质部中克隆得到 4 个编码漆
酶的同功酶基因, 尽管这些基因的蛋白序列具有很
高的相似性(79%~91%), 但这些漆酶基因在木质部组
织中表达并不一致, 暗示这些漆酶基因的功能可能
发生了分化. 有意思的是, Hoopes 和 Dean[47]将北美
鹅掌楸中类漆酶多铜氧化酶(laccase-like multicopper
oxidase, LMCO)基因在烟草(Nicotiana tabacum L.)中
进行表达, 发现 Ltlacc2.2 转基因烟草细胞同时具有
铜和铁氧化酶活性, 暗示漆酶家族的一些成员可能
除具有化酵素活性外 , 还具有其他功能 . 而且 ,
LMCO 在植物维管组织中的高水平表达可能反映了
组织中铁离子高效吸收和正常发育过程中进行木质
化的需要, 这种机制能够最大程度减少木质素沉积
和单体产生过程中的活性氧自由基对植物的伤害 .
然而, 限于鹅掌楸属树种组培苗生根困难等因素, 转
木质素相关基因植株的获得仍比较困难, 离实际应
用还有较大距离.
(2) 体细胞胚胎发生相关基因. 目前, 杂交鹅
掌楸体细胞胚胎发生技术已比较成熟[48]. 然而, 关于
杂交鹅掌楸体胚发生的分子机理的研究仍少见报道.
魏丕伟[49]以杂交鹅掌楸的胚性愈伤组织为材料, 成
功分离克隆了多个杂交鹅掌楸的体细胞胚胎发生标
记基因, 包括 C-重复序列结合因子(C-repeat binding
factor, CBF)转录复合物 HAP3 亚基多子叶相关基因
(leafy cotyledon 1-like, LEC1-LIKE)、B3 转录因子(B3
domain-containing transcription factor, FUSCA3)基因、
同源异形框基因 (WW domain-containing oxidored-
uctase, WOX1, WOX4, knotted, KN1 和 KN2)等 6 个转
录因子, 以及体细胞胚胎发生类受体蛋白激酶基因
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(somatic embryogenesis receptor-like kina, SERK1 和
SERK2)、在植物受精中介导雌雄配子结合的信号受
体(ferroplasma acidarmanus, FER1 和 FER2 基因)、泛
素基因的 5 个成员(ubiquitin, UBI1-5 基因)和扩展蛋
白基因(-expansin1, LhEXP1)等 . 表达谱分析表明 ,
LhFUS3 基因在胚性愈伤组织中被诱导高水平地表
达, 具有较好的胚胎发育特异性. 杂交鹅掌楸体胚发
生标志基因的克隆和表达分析, 为进一步深入揭示
“已分化体细胞-脱分化细胞-胚性细胞”中细胞改变发
育命运的分子机理奠定研究基础. 然而, 这些基因的
功能仍有待下一步研究.
(3) 其他基因. 此外, 随着测序成本的降低, 人
们依靠获得的 EST 序列, 通过 RACE 技术对相关基
因进行了克隆 . 本课题组通过 RACE 方法获得了
(F-box, FB1)基因的全长 cDNA 序列, 经比对后发现
LHFB1 基因与其他物种中 F-box 家族蛋白具有高度
同源性. 表达谱分析发现, LHFB1 在不定根中的表达
水平最高, 推测可能参与了杂交鹅掌楸不定根的发
生过程[38]. 罗群凤[50]运用 RACE 技术克隆获得了北
美鹅掌楸 Chs 基因家族 Chs1, Chs2 及 Adh 基因的全
长序列. Chs1 基因只在北美鹅掌楸中表达, 而 Chs2
基因则在鹅掌楸中表达, 杂交鹅掌楸中 2 个基因均有
表达. 而 Liang 等人[51]利用前期构建的北美鹅掌楸细
菌人工染色体(bacterial artificial chromosome, BAC)
文库, 通过测序获得了北美鹅掌楸 GIGANTEA 基因
序列, 基因结构和进化树表明, GIGANTEA 可能是一
个祖先基因, 在单子叶植物和双子叶植物分化之后
发生了基因分离, 且更接近双子叶植物. 然而, 这些
基因的功能都还有待验证.
2.4 转基因研究
自 1983 年首次获得转基因植株至今, 植物的转
基因研究已经得到飞速发展. 然而, 目前鹅掌楸属树
种转基因的报道仍较少. Wilde 等人[52]首次通过基因
枪 的 方 法 成 功 地 将 报 告 基 因 - 葡 糖 醛 酸 酶
(-glucuronidase, GUS) 和 新 霉 素 磷 酸 转 移 酶
(neomycin phosphotransferaseⅡ, NPTⅡ)基因转入北
美鹅掌楸胚性悬浮培养的单细胞, 获得了北美鹅掌
楸的转基因植株. Rugh 等人[53]同样通过基因枪的方
法成功地将改造过的汞离子还原酶 merA 基因导入到
北美鹅掌楸的原胚团中, 转基因植株在含有正常毒
性水平的汞离子培养基中萌发和生长极为良好, 抗
汞能力也提高了 3~4倍, 并且释放汞原子的量是对照
植株的 10 倍. 南京林业大学研究团队通过其他遗传
转化方法同样获得了转基因植株. 吕伟光[54]首次通
过 PEG 介导方法将报告基因 GFP 成功转入鹅掌楸和
北美鹅掌楸的原生质体中, 细胞表现出绿色荧光. 陈
志等人[55]通过农杆菌介导的方法将具有广谱抗性的
天麻抗真菌蛋白(gastrodia antifungal protein, GAFP)
和兔防御素(rabbit defensin, NP1)双价基因成功导入
到杂交鹅掌楸中, 并对影响遗传转化效率的因素进
行了初步研究. 结果表明, 在预培养阶段使用乙酰丁
香酮有利于提高转化效率, 但侵染菌液浓度和侵染
时间对转化结果无显著影响. 有意思的是, 带正电荷
的 CdSe/ZnS 纳米颗粒可以通过细胞的液相胞吞作用
进入杂交鹅掌楸细胞内, 且不影响细胞的活性, 在培
养溶液中添加 20%聚乙二醇, 可进一步提高鹅掌楸
细胞胞吞 CdSe/ZnS 纳米颗粒的量和减轻 CdSe/ZnS
纳米颗粒的细胞毒性. 因此, 以表面携带正电荷的
CdSe/ZnS 量子点纳米材料的基因载体, 有可能广泛
应用于未来的鹅掌楸转基因研究中[56].
3 结语与展望
近年来, 随着新一代高通量测序技术的出现, 颠
覆传统分子生物学研究的手段被不断开发, 甚至在
不依赖于参考基因组序列和物种的情况下实现基因
定位, 有力地推动了林木包括鹅掌楸属树种的分子
生物学研究. 例如, 转录组测序(RNA-Seq)技术的出
现, 不仅使得在基因组信息未知的非模式植物中进
行低廉、高效、大规模地发掘基因成为可能[57], 而且
还能进行突变基因位点的识别, 确定基因的表达水
平和选择性剪接对于突变表型的影响. 该技术已经
在拟南芥 [58,59]、水稻(Oryza sativa)[60,61]、玉米(Zea
mays)[62,63]、杨树 (Populus L.)[64]、桉树 (Eucalyptus
robusta)[65]等中得到了广泛应用. 利用 RNA-Seq 技
术 , 中国学者获得了大量鹅掌楸花和叶子的
unigenes[39], 并且首次对鹅掌楸属树种的 miRNA 进
行了研究 [40,41], 这些转录组数据不仅为鹅掌楸属树
种表达谱分析、分子标记辅助选择育种和基因克隆与
功能研究奠定了基础, 也为今后基因组注释提供了
参考序列.
然而, 由于鹅掌楸属树种自身特性和地理分布
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的限制, 加上其分子生物学研究团队力量薄弱, 资金
投入不足等原因, 分子生物技术在鹅掌楸属树种中
的应用仍存在诸多难点. 相对于杨树等模式树种, 全
基因组的破译和高效稳定的遗传转化体系的建立成
为鹅掌楸属树种分子生物学研究能否深入展开的两
个关键因素. 鉴于此, 笔者认为在今后的研究中以下
6 个方面亟需加强: (ⅰ) 全基因组的破译. 根据本研
究, 鹅掌楸属树种全基因组较大(约为 1.6 G), 且高杂
合高重复(unpublished), 未来解决问题的关键在于有
效的测序材料选择和高效组装软件的开发, 为鹅掌
楸属树种功能基因组学研究和其生物学基础阐释奠
定基础. (ⅱ) 高效稳定的遗传转化体系的构建. 鹅掌
楸属树种组培体系中最大的难题在于组培苗褐化严
重、生根困难. 通过在培养基中添加活性炭等外源物
质和改变外部光照等条件的进一步优化, 获得高效
稳定的组培体系是可能的, 同时通过提高基因转化
效率, 建立成熟完善的遗传转化体系, 为充分利用获
得的 EST 序列, 解析相关基因的功能奠定技术基础.
(ⅲ) 濒危机理的研究 . 利用分子标记和蛋白组学 ,
国内学者对鹅掌楸的遗传多样性和濒危机理进行了
探讨, 但尚未涉及基因的表达调控[23,42]. 利用表观遗
传学如全基因组甲基化测序(whole genome bisulfite
sequencing/methylated DNA immunoprecipitation
sequencing/reduced representation bisulfite sequencing,
WGBS/MeDIP-Seq/RRBS), 结合转录组图谱分析, 开
展鹅掌楸属树种生物学性状基因表达调控机制的研
究, 特别是鹅掌楸濒危机理的探讨, 为改善鹅掌楸濒
危环境提供理论基础. (ⅳ) 高密度遗传图谱的构建.
目前, 鹅掌楸属树种的遗传图谱分子标记过少[17,18],
可利用的信息不多, 重要性状相关功能基因挖据仍
未见报道 . 利用简化基因组测序 (restr ic t ion-si te
associated DNA/genotyping-by-sequencing, RAD/
GBS)技术 , 开发全基因组单核苷酸多态性 (single
nucleotide polymorphisms, SNP)分子标记, 进行超高
密度遗传图谱构建、群体遗传和群体 GWAS 分析等,
推动基因分型技术和全基因组关联研究, 挖掘与诸
多重要性状相关的功能基因, 为鹅掌楸属的分子育
种奠定基础. (ⅴ) 特异种质筛选和特异基因发掘. 鹅
掌楸属树种无性繁殖困难[38]、自然结籽率低下[66,67]、
水淹条件下极易死亡[68]. 扩大种质资源收集, 重点开
展不同特性的育种材料筛选, 如高生根率、高发芽率
以及抗逆性强(耐涝、耐旱)等特异种质, 结合高通量
测序技术, 通过直接比较突变体和野生型基因组鉴
定突变位点, 进行相关领域的分子机理研究, 为开展
鹅掌楸属树种的定向选育研究提供科学依据. (ⅵ)
蛋白组学及分子传导途径研究. 通过蛋白乙酰化、糖
基化等高通量测序技术, 开展鹅掌楸重要功能蛋白
的结构与功能、蛋白质的翻译后修饰调控机制(磷酸
化和脱磷酸化等)、功能蛋白的互作网络、重要蛋白
质的亚细胞分布及其调控等研究, 是鹅掌楸属树种
分子生物学进一步深入研究的重要内容. 随着分子
生物学技术的快速发展和以上问题的逐步解决, 鹅
掌楸属树种有关分子机理将得到阐明, 并在种质资
源保护、亲本选择利用、分子标记辅助育种和转基因
育种等方面发挥重要作用, 加快鹅掌楸属树种的育
种进程.

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钟永达等: 鹅掌楸属树种分子生物学研究进展

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Research Advances in Molecular Biology of Liriodendron
ZHONG YongDa, HU Miao & YU FaXin
Jiangxi Key Laboratory of Horticultural Plant Genetic and Improvement, Institute of Biology and Resources, Jiangxi Academy of Sciences,
Nanchang 330096, China

Liriodendron spp., a relic species of the Tertiary, is one of the most important afforestation and ornamental trees.
Liriodendron research has scientific significance as well as great economic and ecological benefits. However,
research in molecular biology of Liriodendron has advanced slowly. This review summarizes the research progress in
molecular biology of Liriodendron from aspects of molecular markers, transcriptomics, proteinomics, gene clone and
transgenosis. The problems to be solved are proposed and discussed for accelerating the application of molecular
biological technologies in Lliriodendron and other tree species.

Liriodendron, molecular marker, omics, transgenosis, genome

doi: 10.1360/N052015-00292