全 文 :第 31 卷 第 6期
2009 年 11 月
北 京 林 业 大 学 学 报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.31 , No.6
Nov., 2009
收稿日期:2009--03--03
http: www.bjfujournal.cn , http: journal.bjfu.edu.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(39899400)、河南省自然科学基金项目(0611030300)。
第一作者:杨绪勤。主要研究方向:植物遗传学。电话:0373--3326340 Email:xuqin800715@yahoo.com.cn 地址:453007河南省新乡市建设
东路 46号 河南师范大学生命科学学院。
责任作者:卢龙斗 ,博士 ,教授。主要研究方向:植物遗传学。电话:0373--3326341 Email:lld5910@yahoo.com 地址:同上。
基于 matK序列的木犀属植物系统发育初步研究
杨绪勤 邓传良 刘丽盈 沙 涛 于美玲 卢龙斗
(河南师范大学生命科学学院)
摘要:以流苏树属的流苏树 , 女贞属的女贞和木犀榄属的木犀榄作为外类群 , 利用叶绿体 matK基因序列 , 对木犀属
19 个种进行种间亲缘关系及系统分类学研究。 结果表明:①木犀属植物叶绿体 matK基因序列较为保守 , 特别表
现在 3′端;②木犀属植物是一单系类群;③19种木犀属植物可以分为 3个分支:香花木犀和华东木犀各单独聚为一
个分支;其余聚为一个分支;其中美洲木犀 、牛矢果和厚边木犀聚为一个亚分支 ,都属于圆锥花序组;木犀组的红柄
木犀 、毛木犀 、石山桂 、狭叶木犀和管花木犀组的山桂花 5 种植物聚为一个亚分支;其余的 9 种木犀组植物聚为一
个亚分支;④经典的基于形态学的 P.S.Green分类系统没有得到分子数据的支持 ,圆锥花序组聚在一起 ,而木犀组
和管花木犀组之间的亲缘关系是交叉的。因此作者认为 matK序列需要结合其他分子序列以及形态学指标进行综
合分析 ,才能获得科学合理的木犀属分类系统。
关键词:木犀属;matK基因;系统发育分析
中图分类号:Q944.1;S718.3 文献标志码:A 文章编号:1000--1522(2009)06--0009--06
YANG Xu-qin;DENG Chuan-liang;LIU Li-ying;SHA Tao;YU Mei-ling;LU Long-dou.Phylogenetic
analysis of genus Osmanthus(Oleaceae)based on matK sequence.Journal of Beijing Forestry University
(2009)31(6)9-14 [ Ch , 33 ref.] College of Life Science , Henan Normal University , Xinxiang City ,
453007 , P.R.China.
Phylogenetic analysis of genus Osmanthus was performed based on sequence data of the chloroplast matK
gene in 19 species and outgroups(Chionanthus retusus , Ligustrim lucidum and Olea europaea).The results
showed that:1)sequence of the chloroplast matK gene in Osmanthus was more conservative , especially in 3′
terminal;2)the genus Osmanthus was a monophyletic group;3)19 species of Osmanthus were divided into
three clades:O.suavis and O.cooperi constitute as a monophyletic clade;the others constitute as a clade:
O.americanus , O.matsumuranus and O.marginatus constitute as a subclade , belonging to Sect.Leiole.
Another subclade was constituted by O.armatus , O.venosus , O.fordii , O.attenuatus and O .delarayi;
the other subclade was constituted by the remaining 9 species , belonging to Sect.Osmanthus;4)the study
result showed that the classical classification system of P.S.Greens based on morphology couldn t be
supported by molecular data.Sect.Leiole constituted together , however , there was a cross-relationship
between Sect.Osmanthus and Sect.Siphosmanthus.Therefore , we think that comprehensive analysis of
matK sequence should be combined with other molecular sequences and morphological indicators in order to
obtain scientific and reasonable classification of Osmanthus.
Key words Osmanthus;matK gene;phylogenetic analysis
木犀属(Osmanthus)隶属于双子叶植物纲玄参
目的木犀科(Oleaceae)。该属植物共 31种 ,分布于
亚洲东部和北美洲东南部 ,属东亚 —北美间断分布
型。我国有 26 种 2变种 ,是木犀属植物的分布中
心 ,在观赏 、食用 、药用等方面都具有较高的经济价
值和开发价值[ 1] 。1945年 Taylor[ 2] 对木犀属 5个种
进行细胞分类学研究 ,推断木犀属的染色体基数
n=23 ,并且指出木犀属染色体形态比较稳定 ,与近
DOI :10.13332/j.1000-1522.2009.06.001
缘属没有明显区别。1958年英国学者 Green[ 3] 依据
花序与花的类型 ,将本属分为如下 4组:圆锥花序
组 、木犀组 、管花木犀组和离瓣木犀组 ,这是目前广
泛被接受的木犀属植物的分类系统 。由于该分类系
统仅仅基于腊叶标本 ,Green所掌握的实物材料或资
料又较少 ,不可避免的在种的鉴定上会出现一些偏
差。此外 ,该属植物种之间差异相对较小 ,各种性状
往往相互交叉 ,种间界限难以区分 ,分类和鉴定非常
困难 ,多种原因使得该属植物的分类系统存在一些
问题[ 4] 。后来许多学者对该属植物的孢粉学[ 5] 、区
系地理学[ 6] 、生理生化[ 7] 、分支系统学[ 8] 及微形
态[ 9-10]进行了研究 ,其研究结果都与Green的分组不
太吻合。
利用合适的分子标记进行系统学研究 ,能较为
客观地解决植物类群中复杂的进化事件。 matK基
因由于进化速率较快 、稳定性好和测序方便等特点 ,
已成为研究植物科 、属级系统发育的有效工具和重
要标记[ 11-17] 。其位于叶绿体 trnK基因的内含子中 ,
长约 1 500 bp ,编码一种参与 RNA 转录体中 Ⅱ型内
含子剪切的成熟酶[ 18] ,是叶绿体基因组的蛋白编码
区中进化最快的基因之一[ 19] 。在植物属内种间 、种
下的系统发育关系研究方面 matK基因也被成功的
应用[ 20-24] 。目前 ,有关木犀属植物分子系统发育的
研究未见相关报道 ,Wallander 等[ 25] 基于 rps16 与
trnL-F 序列 , 对木犀科系统发育进行了研究 ,涉及
的木犀属植物只有 5种。本研究旨在利用 matK序
列探讨木犀属植物种间亲缘关系 ,构建系统发育树 ,
为建立木犀属植物分类系统提供分子证据 ,同时为
木犀属植物的育种和开发利用提供基础资料 。
1 材料与方法
1.1 实验材料
选取木犀属木犀组 、圆锥花序组 、管花木犀组 3
组共 19 种植物及近缘属[ 26] 流苏树属的流苏树 、女
贞属的女贞和木犀榄属的木犀榄 (作为外类群)作
为研究对象 ,直接从美国哈佛大学植物园 、河南师范
大学校园 、武汉植物园 、昆明植物园 、南京中山植物
园 、杭州植物园 、上海桂林公园 、四川峨嵋山 、浙江金
华山 、贵州梵净山和安徽黄山等地采集新鲜材料 ,自
来水冲洗干净后用硅胶快速干燥 ,带回实验室保存
在4℃冰箱中备用 ,并经南京林业大学向其柏教授
鉴定(见表 1)。
1.2 DNA提取
选用新鲜幼嫩的叶片作为材料 ,采用改进的
CTAB法 ,见文献[ 27]提取总 DNA。
表 1 实验材料来源及 GenBank 序列号
TABLE 1 Source of materials and GenBank accession numbers
类群 采集地 GenBank序列号
木犀组(Sect.Osmanthus)
短丝木犀(O.serrulatus) 四川峨嵋山 EU409427
网脉木犀(O.reticulatus) 贵州梵净山 EU409438
毛柄木犀(O.pubipedicellatus) 武汉植物园 EU409429
毛木犀(O.venosus) 武汉植物园 EU409433
桂花(O.fragrans) 贵州梵净山 EU409428
狭叶木犀(O.attenuatus) 武汉植物园 EU669876
石山桂(O.fordii) 上海桂林公园 EU409440
蒙自桂花(O.henryi) 昆明植物园 EU409434
野桂花(O.yunnanensis) 昆明植物园 EU409439
红柄木犀(O.armatus) 南京中山植物园 EU409431
齿叶木犀(O.× fortunei) 南京中山植物园 EU409425
树(O.heterophyllus) 上海桂林公园 EU409426
华东木犀(O.cooperi) 杭州植物园 EU669875
坛花木犀(O.urceolatus) 贵州梵净山 EU409437
圆锥花序组(Sect.Leiolea)
美洲木犀(O.americanus) 美国哈佛大学植物园 EU409424
牛矢果(O.matsumuranus) 杭州植物园 EU409435
厚边木犀(O.marginatus) 安徽黄山 EU409432
管花木犀组(Sect.Siphosmanthus)
香花木犀(O.suavis) 英国 EU409430
山桂花(O.delavayi) 云南鸡足山 EU409436
外类群
流苏树(Chionanthus retusus) 浙江金华山 EU409442
女贞(Ligustrim lucidum) 河南师范大学校园 EU669873
木犀榄(Olea europaea) from GenBank AJ429335
1.3 matK序列的扩增 、纯化及测序
matK序列 PCR扩增的通用引物 matK-AF 和
matK-BR根据文献[ 28]设计而合成 ,由Sangon公司
合成 。
matK-AF 5′-CTATATCCACTTATCTTUCAGGAGT-3′
matK-BR 5′-AAAGTTCTAGCACAAGAAAGTCGA-3′
反应体系为20 μL ,包括 DNA 20 ~ 40 ng 、引物
0.25 μmol L、MgCl2 1.5 mol L 、dNTP 0.2 mmol/L、Taq
DNA 聚合酶1.5 U。扩增程序为:94℃, 5 min ※
94 ℃,45 s※56 ℃,50 s※72℃,80 s※32个循环※72
℃,6 min 。扩增产物用浓度为 1.5%的琼脂糖凝胶 ,
在1×TAB 缓冲液中以 4.0 V cm 的电压电泳2.0 h
后 ,DNA 片段长度与1 kb DNA ladder 分子标记物
(Sangon公司)比较 ,然后切下具目的片段的胶块 ,
用 Sangon公司的SK 131型UNIQ-10柱式 DNA胶回
收试剂盒进行 DNA的回收和纯化 ,委托 Sangon公司
直接双向测序 。
1.4 序列分析和系统树的构建
对测定的 21个序列进行 GenBank 提交(登录号
见表1),然后用 Clustal X 1.8软件[ 29] 进行格式转换和
排序 ,再用 PAUP 4.0 b10 软件[ 30] 进行统计分析和分
支分析 ,空位(gap)处理作缺失 (missing)状态。最简
约树(MP)采用 Heuristic法寻找。用 bootstrap 值检验
10 北 京 林 业 大 学 学 报 第 31卷
简约树中各分支的置信度 ,自展数据集为1 000次。
2 结果与分析
2.1 matK基因序列长度和 G+C百分含量
测得 21 种植物的 matK 基因序列为1 155 ~
1 158 bp ,最长的是美洲木犀 、桂花等 ,有1 158 bp ,最
短的是野桂花和流苏树 ,有1 155 bp。G+C 百分含
量为 32.40%~ 33.59%,其中 G+C 百分含量最高
的是女贞 ,为 33.59%,G +C 百分含量最低的是网
脉木犀 ,为 32.40%(见表 2)。
表 2 各种植物 matK 基因序列长度和 G+C百分含量
TABLE 2 Sequence lengh (bp)and G+C (%)content of matK gene
物种 matK序列长度 bp (G+C) % 物种 matK序列长度 bp (G+C) %
O.americanus 1 158 32.90 O .yunnanensis 1 155 32.73
O.serrulatus 1 157 32.58 O .delavayi 1 158 32.73
O.reticulatus 1 156 32.40 O .matsumuranus 1 158 32.73
O.pubipedicellatus 1 157 33.01 O .armatus 1 158 32.73
O.venosus 1 157 33.19 O .× fortunei 1 157 32.58
O.attenuatus 1 156 32.61 O .heterophyllus 1 156 32.87
O.fragrans 1 158 32.90 O .cooperi 1 158 32.90
O.marginatus 1 157 32.76 O .urceolatus 1 157 32.84
O.fordii 1 158 32.90 Chionanthus retusus 1 155 33.07
O.henryi 1 156 32.53 Ligustrim lucidum 1 158 33.59
O.suavis 1 157 33.01 Olea europaea 1 158 33.07
2.2 遗传距离
利用 PAUP 软件对 matK序列进行统计分析 ,所
得木犀属植物及其外类群种间遗传距离见表 3。
2.3 基于 matK序列的分子系统树
22 种植物 matK 全序列排序后的长度为
1 158 bp ,用 PAUP 4.0b10 进行运算 。有 22个变异
位点 , 41 个为信息位点 ,分别占 1.89%和 3.54%。
Heuristic法找到 98 个最简约树 , 用严格一致性树
(strict consensus tree)进行分支分析(图 1)。步长为
88 ,一致性指数(CI)和保持指数(RI)分别为
0.727 3 、0.760 0。
由于木犀属 matK序列较为保守 ,信息位点少 ,
所得到的最简约系统树的分辨率和支持率比较低 。
最简约系统树显示:木犀属是一单系类群 ,其 19种
植物分为 3个分支 ,得到 83%的 bootstap值支持;香
花木犀和华东木犀各单独聚为一个分支;其余聚为
另一个分支 ,这一分支又可以分为 3个亚支 ,得到
60%的 bootstap值支持 。其中 ,传统分类系统中的圆
锥花序组植物美洲木犀 、牛矢果和厚边木犀聚为一
亚分支 ,木犀组植物 树 、野桂花 、齿叶木犀 、短丝木
犀 、桂花 、蒙自桂花 、网脉木犀 、毛柄木犀和坛花木犀
9种植物聚为一个亚分支 ,木犀组植物红柄木犀 、毛
木犀 、石山桂 、狭叶木犀和管花木犀组植物山桂花 5
种植物聚为另一个亚分支 。
3 讨 论
3.1 聚类结果与经典传统分类学的比较
依据Green[ 3] 所提出的比较经典的木犀属的分
类系统 ,本研究中的 19种木犀属植物可分为 3组 ,
山桂花和香花木犀属于管花木犀组 ,美洲木犀 、牛矢
果和厚边木犀属于圆锥花序组 ,而其余 14种植物都
属于木犀组。本研究基于 matK序列获得的聚类结
果与此分类系统有所区别 。如图 1所示 ,除外类群
外 ,木犀属植物 19个种可聚为 3个大的分支:香花
木犀和华东木犀各单独聚为一个分支 ,它们在Green
的木犀属的分类系统中分别属于不同的组 ,表明它
们之间亲缘关系比较远 ,这一结果与传统分类学的
观点一致[ 3] 。厚边木犀 、牛矢果和美洲木犀都属于
圆锥花序组 , 它们聚为一个亚分支 , 得到 60%
bootstrap值的支持 ,表明其亲缘关系非常近 ,这与传
统分类学[ 3] 和分支系统学[ 8]的观点相一致 。木犀组
的 树 、野桂花 、齿叶木犀 、短丝木犀 、桂花 、蒙自桂
花 、网脉木犀 、毛柄木犀和坛花木犀 9种植物聚为一
个亚分支 ,这也与传统分类学观点一致。传统分类
学认为齿叶木犀与野桂花外形非常相似 ,关系非常
密切[ 2] ,聚类图显示它们聚在一个上述亚分支的一
个小分支中 ,表明亲缘关系非常密切 ,这一结果支持
传统分类学的观点 。木犀组的红柄木犀 、毛木犀 、石
山桂 、狭叶木犀和管花木犀组的山桂花 5种植物聚
为一个亚分支;因此 ,不支持传统分类学认为红柄木
犀与短丝木犀 、野桂花和网脉木犀亲缘关系近的观
点[ 4] ;不过和毛木犀与红柄木犀亲缘关系近的传统
分类学观点一致。综上所述 ,基于 matK 基因序列
的系统发育树不支持经典分类学的分组观点 ,传统
的圆锥花序组植物聚在了一起 ,而木犀组植物和管
花木犀组植物之间的亲缘关系是交叉的 。因此 ,在
木犀属植物系统演化过程中 ,基因水平的演化与形
态特征的演化不是完全平行的。
王亚玲等[ 31] 在用 matK序列研究木兰属植物系
统发育关系时 ,曾提出木兰属植物的地理分布会影
11第 6期 杨绪勤等:基于 matK 序列的木犀属植物系统发育初步研究
12 北 京 林 业 大 学 学 报 第 31卷
图 1 基于 matK序列分析得到的最简约系统树
FIGURE 1 Strict consensus tree of the most parsimonious t rees based on matK sequence with Chionanthus retusus ,
Ligustrum lucidum and Olea europaea as the outgroups
注:数字为各分支的自展数据支持率。
响基因的进化速度;卢龙斗[ 32] 在对木犀属植物进行
多方面研究时 ,认为木犀属植物分布在不同的区域
往往形成自己独有的特征。本研究实验材料中 ,香
花木犀采自英国 ,美洲木犀采自美国 ,其他材料采自
我国不同地方。地域跨度比较大 ,推测其 matK序
列可能会呈现出不同的进化速率 ,故我们认为聚类
结果和经典传统分类学不完全一致可能与木犀属植
物的地理分布有关。因此 ,在今后的研究工作中 ,应
该将叶绿体基因组序列结合核基因组序列对木犀属
植物的系统发育进行更为全面的研究 ,并将分子生
物学数据与外部形态 、微形态相结合 ,以期建立更为
科学的木犀属植物分类系统。
3.2 木犀属植物 matK序列的遗传距离
如表 3所示 ,木犀属植物种间相对遗传距离为
0.09%~ 1.39%;木犀组内种间的相对遗传距离为
0.09%~ 1.13%;圆锥花序组内种间的相对遗传距
离为 0.61%~ 0.86%;管花木犀组内种间的相对遗
传距离为 0.43%;外类群流苏树 、木犀榄和女贞与
木犀属植物种间的相对遗传距离为 0.78% ~
3.12%,可以看出木犀属植物种间相对遗传距离比
较稳定。木犀属植物种间相对遗传距离相差不大 ,
而相比而言 ,外类群与木犀属各种植物间遗传距离
相差较大(见表 3),说明这 19种植物亲缘关系较
近 ,把它们归为一类群具有一定的合理性和科学性 ,
这与常生辉等[ 10] 和 Green[ 3] 的观点一致。此外 ,我
们可以看出圆锥花序组和管花木犀组的种间遗传距
离范围较小 ,而木犀组种间遗传距离范围最大 ,这反
映出形态上划分的木犀组并未得到分子数据的支
持 ,从聚类图上也可以看到这一点 。
3.3 木犀属植物 matK序列的多态性
Wallander等人[ 25] 获得了 5 种木犀属植物叶绿
体 trnL-F 序列 ,长度为822 bp。通过 Clustalх1.8软
件[ 29] 分析 ,我们发现 trnL--F 序列之间差异很小 ,种
间基本为 1 ~ 2个碱基的差异 ,变异率是非常小的。
本研究所获得的 19 种木犀属植物 matK 序列均不
完全一样 ,差异较大 ,种间为 4 ~ 14个碱基的差异 ,
变异率比较大 。因此在木犀属植物中 , matK序列较
trnL-F序列变异速率高 ,进化速率快 ,可能更适合
于探讨木犀属植物种间亲缘关系 。
木犀属植物特别是木犀组不仅种类多 ,而且种
间的各种性状相互交叉 ,使得分类非常困难[ 4] 。如
图 1所示 ,狭叶木犀与石山桂花聚在小分支中 ,表明
亲缘关系比较近 ,在鉴定时往往把狭叶木犀误定为
石山桂花[ 33] 。在本研究结果中 ,相对于外类群 ,狭
叶木犀 matK序列 331位点有一个A※G 的颠换 ,石
山桂 1 100位点有一个G※C的转换 ,它们之间相对
遗传距离为 0.43%,可以将两者进行区分。齿叶木
13第 6期 杨绪勤等:基于 matK 序列的木犀属植物系统发育初步研究
犀 、桂花和 树聚在一个小分支中 ,齿叶木犀和亲本
树聚在更小的一个小分支中 ,表明三者亲缘关系
非常近。支持齿叶木犀是桂花与 树的天然杂交种
的观点[ 4] ,由于齿叶木犀和 树外部形态极其相似 ,
鉴定物种时容易将齿叶木犀错定为 树[ 4] 。本研究
中 ,相对于外类群 , 树 matK序列 326位点有一个
T※G的颠换 ,422位点有一个A※G的转换 ,它们之
间相对遗传距离为 0.26%,可以利用 matK序列的
差异性将它们分开。因此 , 由于木犀属植物种间
matK序列存在多态性 ,差异比较明显 ,故可以作为
该属植物种间鉴定的依据之一 。
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(责任编辑 赵 勃)
14 北 京 林 业 大 学 学 报 第 31卷