免费文献传递   相关文献

贵州百里杜鹃自然保护区杜鹃属植物分子系统学研究



全 文 :·资源与利用·
收稿日期:2015-02-20
基金项目:国家自然科学基金项目(编号:31160037);贵州科学院科技计划项目(编号:黔科院[2015]01号);贵州科学院科技创新人才团队项目。
作者简介:何云松(1976—),男,云南云龙人;工程师,主要从事植物分类与标本管理;E-mail:gzgyhys@yeah.net。
通讯作者:陈 翔(1972—),男,四川南充人;副研究员,博士,主要从事植物分类与系统学研究;E-mail:xiangchengz@163.com。
贵州百里杜鹃自然保护区杜鹃属植物分子系统学研究
何云松1, 王孜昌2, 黄家勇3, 张玉武1, 陈 翔1
(1.贵州省生物研究所, 贵阳550009; 2.贵州省林业科学研究院, 贵阳550002;
3.贵州百里杜鹃管理委员会, 贵州 大方551500)
Study on the Molecular Systematics of Rhododendron(Ericaceae)
from Baili Rhododendron Nature Reserve of Guizhou
HE Yunsong1,WANG Zhichang2,HUANG Jiayong3,ZHANG Yuwu1,CHEN Xiang1
摘 要:对贵州百里杜鹃自然保护区内26种杜鹃属植物叶绿
体基因组的trnL-F 间隔区序列进行了测序和系统分类学研
究。结果表明,杜鹃属下的常绿杜鹃亚属是一个单系类群,而
映山红亚属和马银花亚属的亲缘关系较为相近,糙叶杜鹃亚属
与杜鹃亚属间的系统发育关系也较近但仍有所区别。
关键词: 杜鹃属;分子系统学;百里杜鹃自然保护区;贵州
DOI编码: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2015.09.000
中图分类号: S 324   文献标志码: A
文章编号: 1001-4705(2015)09-0054-04
当代分子生物学基础理论和技术的研究发展与应
用,为不同层次植物类群的系统与进化研究提供了大
量富有价值的资料和行之有效的技术手段[1-3]。在杜
鹃属(Rhododendron L.)植物的分子系统学研究中,
国内外均有过一些研究,如Goetsch et al.[4]提出了基
于分子数据和形态特征的杜鹃属5个亚属的新分类系
统;Kurashige et al.[5]采用matK 和trnK 序列证据
进行了杜鹃属下各组间的关系研究;高连明等[6-7]基于
ITS序列进行了杜鹃属的亚属和组间系统关系及杜鹃
属映山红亚属的组间关系研究;王孜昌等[8]进行了贵
州百里杜鹃保护区杜鹃属植物系统发育与开花习性的
分子水平分析研究;谭萍等[9]进行的贵州几种常见杜
鹃花的随机扩增多态性DNA (RAPD)研究;赵喜华
等[10]运用 RAPD技术对9种常绿杜鹃亚属和2种马
银花亚属杜鹃的亲缘关系及系统位置所作研究等。叶
绿体基因组cpDNA 基因间区的trnL-F 间隔区序列
目前已经较多地应用于植物系统发育分析中[11-13]。鉴
于形态学分类的局限性和前期研究工作[14],本研究应
用trnL-F序列对贵州百里杜鹃自然保护区内的杜鹃属
植物进行了系统发育研究和分析,以期为保护区内杜
鹃属植物的分类和系统学研究提供更多依据。
1 材料与方法
1.1 材 料
实验材料植物叶片全部取自贵州百里杜鹃自然保
护区 (表1),采集时间为6月上旬,采用变色硅胶干燥
保存。凭证标本均保存在贵州科学院生物研究所植物
标本馆内(HGAS)。杜鹃属下分类系统依据《中国植
物志》[15]和《Flora of China》[16],包括映山红亚属1
种、常绿杜鹃亚属21种、杜鹃亚属2种、糙叶杜鹃亚属
1种及马银花亚属1种,共计26种,占贵州杜鹃属6
个亚属中的5个。其中,有部分为笔者在保护区内发
现的新种或新变种 (表中带“*”者)。参照前人研
究[5-6],以扫帚岩须(Cassiope fastigiata D.Don)和灯
笼树(Enkianthus chinensis Franch.)2种为外类群构
建分子系统树,其基因序列来自Genbank。
1.2 方 法
1.2.1 DNA提取及PCR扩增与测序
使用改进的 CTAB 法进行总 DNA 提取[17]。
trnL-F 序 列 的 扩 增 采 用 引 物 c(CGAAATCGG-
TAGACGCTACG)和 f (ATTTGAACTGGTGA-
CACGAG)[18],反应体系为50μL,反应体积含10×
buffer,0.25mmol/L dNTP,0.25mmol/L MgCl2,引
物“c”和“f”各0.01μmol/L,1.5UTaqDNA聚合酶以
及模板溶液2μL(含20~25ng DNA)。PCR扩增条
件为95℃预变性3min,95℃变性40s,50℃退火
50s,72℃延伸1.5min,40个循环,最后72℃延伸
7min。PCR产物使用来宝生物公司凝胶回收试剂盒
回收目的片段,委托三博生物技术有限公司测序。
·45·
第34卷 第9期 2015年9月              种 子 (Seed)            Vol.34 No.9 Sep. 2015
1.2.2 序列分析
序列排列用Clustal X软件完成[19]。排好的序列用
PAUP 4.0[20]和 Mega 2[21]进行系统发育分析。利用
PAUP 4.0做简约 (Parsimony)分析时,空位 (gap)始终
作为缺失状态,使用启发式 (heuristic)搜索最简约树,采
用100 次重复的随机加入(random addition of 100
replicates)寻找最简约树的岛屿 (islands)分布[22]。利用
bootstrap 1 000次重复检验各分支的置信度[23]。
表1 材料来源及凭证标本
           分类群
凭证标本/
Genbank序列号
映山红亚属Subgen.Tsutsusi
映山红组Sect.Tsutsusi Sweet
映山红R.simsii Planch. 陈翔08004
常绿杜鹃亚属Subgen.Hymenanthes
露珠杜鹃亚组Subsect.Irroratum
桃叶杜鹃R.annae Franch. 陈翔08011
金波杜鹃R.jinboense Xiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔09040
匙叶杜鹃R.cochlearifoliumXiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔09042
露珠杜鹃R.irroratumFranch. 陈翔09054
迷人杜鹃R.agastumBalf.f.et W.W.Smith 陈翔09049
光柱迷人杜鹃R.agastumvar.penniveniumT.L.Ming 陈翔09051
云锦杜鹃亚组Subsect.Fortunea
大白杜鹃R.decorumFranch. 陈翔09057
高尚大白杜鹃R.decorumsubsp.disprepes T.L.Ming 陈翔08029
小白杜鹃R.maculatumXiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔09048
黄坪杜鹃R.huangpingense Xiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔08024
九龙山杜鹃R.jiulongshanense Xiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔08031
树形杜鹃亚组Subsect.Arborea
树形杜鹃R.arboreumSmith 陈翔09050
马缨杜鹃R.delavayi Franch. 陈翔09055
狭叶马缨花R.delavayi var.peramoenumT.L.Ming 陈翔09044
微毛马缨杜鹃R.delavayi var.puberulumXiang Chen et Jia
Y.Huang*
陈翔09038
银叶杜鹃亚组Subsect.Argyrophylla
银叶杜鹃R.argyrophyllumFranch. 陈翔08032
皱叶杜鹃R.denudatumLévl. 陈翔09037
繁花杜鹃R.floribundumFranch. 陈翔08023
枇杷叶杜鹃R.eriobotryoides Xiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔09034
麻花杜鹃亚组Subsect.Maculifera
淡粉杜鹃R.subroseumXiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔09033
大理杜鹃亚组Subsect.Taliensia
普底杜鹃R.pudiense Xiang Chen et Jia Y.Huang* 陈翔08019
杜鹃亚属Subgen.Rhododendron
三花杜鹃亚组Subsect.Triflora
云南杜鹃R.yunnanense Franch 陈翔08027
有鳞大花亚组Subsect.Maddenia
百合花杜鹃R.liliiflorumLévl. 陈翔08013
糙叶杜鹃亚属Subgen.Pseudorhodorastrum
糙叶杜鹃组Sect.Trachyrhodion
糙叶杜鹃R.scabrifoliumFranch. 陈翔08016
马银花亚属Subgen.Azaleastrum
长蕊杜鹃组Sect.Choniastrum
长蕊杜鹃R.stamineumFranch. 陈翔08030
岩须属Cassiope
扫帚岩须Cassiope fastigiata D.Don  AF 394265
吊钟花属Enkianthus
灯笼树Enkianthus chinensis Franch. AF 452225
2 结果与讨论
2.1 结 果
经过对位排列后,得到的序列长度为919位点,包
括144个变异位点,42个简约信息位点。使用PAUP
构建的trnL-F 序列系统发育树包括了Clade 1、Clade
2和Clade 3三个分支 (图1)。
  从系统发育树可以看出,Clade 1的支持率为
84%,由映山红亚属的杜鹃和马银花亚属的长蕊杜鹃
组成。Clade 2包括了百里杜鹃自然保护区内主要的
杜鹃属植物,全部由常绿杜鹃亚属的种类构成,其支持
率为89%。Clade 2又由3个小的分支组成:下端的分
支由大理杜鹃亚组的普底杜鹃、银叶杜鹃亚组的皱叶
杜鹃和繁花杜鹃组成,其支持率为84%;中部的分支
由露珠杜鹃亚组的露珠杜鹃和桃叶杜鹃、云锦杜鹃亚
组的九龙山杜鹃、小白杜鹃、大白杜鹃和高尚大白杜鹃
及银叶杜鹃亚组的银叶杜鹃组成,其支持率为86%;
上端的分支由树形杜鹃亚组的马缨杜鹃、微毛马缨杜
鹃、狭叶马缨花和树形杜鹃、露珠杜鹃亚组的匙叶杜
鹃、迷人杜鹃、光柱迷人杜鹃和金波杜鹃、云锦杜鹃亚
组的黄坪杜鹃、银叶杜鹃亚组的枇杷叶杜鹃及麻花杜
鹃亚组的淡粉杜鹃组成,其支持率较弱,为59%。
Clade 3由所有有鳞类杜鹃构成,包括糙叶杜鹃亚属的
糙叶杜鹃、杜鹃亚属的云南杜鹃和百合花杜鹃,支持率
为83%。
2.2 讨 论
从亚属的级别来看,在基于trnL-F 间隔区序列的
结果分析中,映山红亚属和马银花亚属的亲缘关系较
为相近,两者组成的分支 Clade 1的支持率达到了
84%。仅仅从构成这一分支的两个种类———杜鹃和长
蕊杜鹃的形态特征来说,两者的区别是很大的。杜鹃
的主要鉴别特征为枝叶花果等部具扁平糙伏毛、花及
新叶枝出自同一顶芽,而长蕊杜鹃的主要鉴别特征为
各部均无毛、数个花序腋生枝顶。不过,Goetsch et al
基于分子数据和形态特征建立的一个5亚属的杜鹃属
下新分类系统中,将映山红亚属归并为新的马银花亚
属Subgen.Azaleastrum 的一个组,即映山红组Sect.
Tsutsusi[4]。在Kurashige et al的研究中,马银花亚属
的种类与映山红亚属的种类也聚为一支,且支持率高
达99%[5]。同样,闵天禄等关于杜鹃属系统发育与进
化的研究中也认为,在映山红亚属和马银花亚属之间,
尤其是映山红组和长蕊杜鹃组两者的起源关系较相
近[24]。上述研究表明,映山红亚属和马银花亚属之间
至少在分子水平上存在着较近的亲缘关系。
在有鳞类杜鹃中,全部的种类均聚为一支,由糙叶
·55·
资源与利用  何云松 等:贵州百里杜鹃自然保护区杜鹃属植物分子系统学研究
图1 当空位作缺失处理时,基于trnL-F 序列分析
得到的最简约树的严格一致树。
杜鹃亚属的糙叶杜鹃与杜鹃亚属的百
合花杜鹃和云南杜鹃构成,支持率为
83%,表明这2个亚属间的系统发育
关系较近。不过,在其中小的分支内,
糙叶杜鹃是独立成一支的,而杜鹃亚
属的百合花杜鹃和云南杜鹃另构成一
个小分支,只不过支持率不高,只有
63%。这又在一定程度上表明,2个
亚属之间的还是有所区别的。Culen
认为,在有鳞杜鹃类群中存在一些过
渡类群和交叉状况,如杜鹃亚属中三
花杜鹃亚组和朱砂杜鹃亚组的一些种
类就同时存在有花序顶生和腋生的情
况,且部分类群间的关系很近,如糙叶
杜鹃组和上述两个亚组[23]。但从本
研究结果看,糙叶杜鹃与三花杜鹃亚
组的云南杜鹃并未聚在一起,而是单
独成一小支。再从前期类似的分子生
物学研究来看,在 Kurashige et al应
用matK 和trnK 序列所做的研究结
果表明,糙叶杜鹃与杜鹃亚属的其它
种类共同构成一支,并且支持率高达
99%[5]。高连明等基于ITS序列进
行了杜鹃属的亚属和组间系统关系研
究,结果表明,用来代表糙叶杜鹃亚属的种类腋花杜鹃
也与杜鹃亚属的其它种类构成一支,不过其支持率不
高,仅为54%[6]。高连明等也在文中表明,其研究结
果不支持Sleumer[24]系统中将糙叶杜鹃亚属、毛枝杜
鹃亚属Subgen.Pseudazalea Sleumer和迎红杜鹃亚
属Subgen.RhodorastrumC.B.Clarke这3个类群处
理为独立的亚属,而支持Culen[25]将它们合并到有鳞
杜鹃亚属Subgen.Rhododendron杜鹃组中的处理,而
不论花芽是顶生还是腋生,植株是常绿还是落叶。在
《Flora of China》中,尽管还是同《中国植物志》一
样[13-14],基本采用Sleumer的分类系统[26],将糙叶杜
鹃亚属仍作为一个独立的亚属来处理,但文中还是有
所指 出:“Rhododendron Subgen.Pseudorhodoras-
trum was not recognized by Culen and is probably
not confirmed by DNA sequencing.”,这应该也是基
于上述相关研究得出的结论。本次研究的结果与
Kurashige et al.和高连明等的研究不尽相同,其原因
可能是所采用的DNA序列不同或是本研究中包括的
有鳞杜鹃种类较少所致。高连明等采用水平淀粉凝胶
电泳分析对九种杜鹃属植物进行了遗传分化研究,显
示糙叶杜鹃亚属的3种杜鹃遗传相似性最高,与其他
亚属杜鹃种类间的遗传相似性较低[27]。周兰英等所
做的26种杜鹃属植物花粉形态及分类学研究结果也
显示,糙叶杜鹃亚属和杜鹃亚属间有一定差异[28]。因
此,关于糙叶杜鹃亚属是否应归并到杜鹃亚属这一问
题还有待于在更多种类和层次上进行深入的研究。
在系统发育树中,常绿杜鹃亚属植物种类全部聚
为一支,其支持率达89%,表明了常绿杜鹃亚属是一
个单系类群。这个结论与 Kurashige et al.[5]的研究
结果是一致的。在亚组的层次上,从各个分支的组成
情况来看,本研究所包含的常绿杜鹃亚属各个亚
组———大理杜鹃亚组、银叶杜鹃亚组、露珠杜鹃亚组、
云锦杜鹃亚组、树形杜鹃亚组和麻花杜鹃亚组的多个
种类均交错在一起并组成3个小的分支。这表明本研
究并未能较好地说明常绿杜鹃亚属下各个亚组之间的
系统发育关系。同样地,在 Kurashige et al[5]所作关
于杜鹃属下各组(亚组)间的系统关系研究中也未能较
好地解决这一问题。因此,常绿杜鹃亚属中各亚组的
系统关系划分与研究还有待于重新审视和进一步研
究。不过,从本研究可以看出,大理杜鹃亚组和银叶杜
·65·
第34卷 第9期 2015年9月              种 子 (Seed)            Vol.34 No.9 Sep. 2015
鹃亚组之间的亲缘关系是比较相近的,二者组成的分
支支持率达89%。类似于 Kurashige et al所提到的
现象,这两个亚组在形态特征区别上并不是十分明显,
在幼枝和叶背毛被、花冠形状及颜色还有子房毛被等
方面均很相似,而仅是在花序疏密程度、花萼大小和花
冠裂片数目等上略有差异[5]。在研究过程中也时有发
现,常绿杜鹃亚属中不少亚组间的区别特征是不甚明
显或互有交错的,就如上面所提到的大理杜鹃亚组和
银叶杜鹃亚组两者一样,这也给这些类群的分类学处
理和研究带来了不少困难。
需要说明的是,鉴于杜鹃属植物种类繁多,属下各
亚属、组和亚组的组成情况也比较复杂,本研究目前只
是作为一个探索和前期基础,关于杜鹃属植物在分子
水平上的系统发育研究还有待于进一步的拓宽和
深入。
参考文献:
[1]Soltis D E,Soltis P S.Molecular data and the dynamic na-
ture of polyploid[J].Crit.Rev.Pla.Sci.,1993,12:243-273.
[2]汪小全,洪德元.植物分子系统学近五年的研究进展概况
[J].植物分类学报,1997,35(5):465-480.
[3]王建波,张文驹,陈家宽.核rDNA的ITS序列在被子植物
系统与进化研究中的应用[J].植物分类学报,1999,37(4):
407-416.
[4]Goetsch L,Eckert A J,Hal B D.The molecular systematics
of Rhododendron(Ericaceae):aphylogeny based upon rpb 2
gene sequences[J].Systematic Botany,2005,30:616-626.
[5]Kurashige Y,Etoh J I,Handa T,et al.Sectional relation-
ships in the genus Rhododendron (Ericaceae):evidence
from matK and trnK intron sequences[J].Plant Syst.Evol,
2001,228:1-14.
[6]高连明,李德铢,张长芹,等.基于ITS序列探讨杜鹃属的亚属
和组间系统关系[J].植物学报,2002,44(11):1 351-1 356.
[7]高连明,杨俊波,张长芹,等.基于ITS序列分析探讨杜鹃属
映山红亚属的组间关系[J].云南植物研究,2002,24(3):
313-320.
[8]王孜昌,陈训,任竹梅,等.贵州百里杜鹃保护区杜鹃属植物
系统发育与开花习性的分子水平分析[J].种子,2010,29
(12):72-75.
[9]谭萍,李煜,赵饮虹.贵州几种常见杜鹃花的随机扩增多态
性DNA(RAPD)研究[J].西北植物学报,2005,25(4):
794-798.
[10]赵喜华,张乐华,王曼莹.11种杜鹃花 RAPD 分类学初步
研究[J].江西农业大学学报,2006,28(4):544-547.
[11]Wijers G J,Hart H.Phylogenetic relationships in Monanthes
(Crassulaceae)based on morphological,chloroplast and nuclear
DNA variation[J].J.Evol.Biol.,1997,10:193-216.
[12]Richardson J E,Fay M F,Cronk Q C,et al.A Phylogenetic
analysis of Rhamnaceae using rbcLand trnL-F plastid DNA
sequences[J].Amer.J.Bot.,2000,87:1 309-1 324.
[13]Bayer R J,Puttock C F,Kelchner S A,et al.Phylogeny of
South African Gnaphalieae (Asteraceae)based on two
non-coding chloroplast sequences[J].Amer.J.Bot.,2000,
87:259-272.
[14]陈翔,黄家勇,张玉武,等.贵州13种杜鹃属植物种子显微
形态研究[J].种子,2012,31(10):66-70.
[15]方瑞征,杨汉碧,金存礼.中国植物志(第五十七卷,第一分
册,杜鹃花科)[M].北京:科学出版社,1999:13-210.
[16]Fang,M Y,Fang,R C,He M Y,et al.Rhododendron.in:
Wu,Z.Y.,Raven,P.H.et Hong,D.Y.(eds.).Flora of
China(Vol.14)[M].Science Press,Beijing et Missouri
Botanical Garden Press,St.Louis,2005:260-455.
[17]Doyle J J,Doyle J L.A rapid DNA isolation procedure for
smal quantities of fresh leaf tissue[J].Phytochem Bul,
1987,19:11-15.
[18]Taberlet P,Giely T J,Pautou G,et al.Universal primers
for amplification of three non-coding regions of chloroplast
DNA[J].Plant Mol.Bio.,1991,17(6):1 105-1 109.
[19]Thompson J D,Gibson T J,Plewniak F,et al.The
CLUSTAL_X windows interface:flexible strategies for
multiple sequence alignment aided by quality analysis
tools[J].Nucleic Acids Research,1997,25(24):4 876-
4 882.
[20]Swoford D L.PAUP*4.0:Phylogenetic Analysis Using Parsi-
mony[M].Sinauer Associates,Sunderland,MA,2000.
[21]Kumar S,Tamura K,Jakobsen I B,et al.MEGA 2:
molecular evolutionary genetics analysis software[J].
Bioinformatics,2001,17(12):1 244-1 245.
[22]Maddison D R.The discovery and importance of multiple
islands of most parsimonious trees [J].Systematic
Zoology,1991,40:315-328.
[23]Felsenstein J.Confidence limits on phylogenies:an approach u-
sing the bootstrap[J].Evolution,1985,39:783-791.
[24]闵天禄,方瑞征.杜鹃属的系统发育与进化[J].云南植物
研究,1990,12(4):353-365.
[25]Culen J.A revision of Rhododendron L.Subgenus Rhodo-
dendron Section Rhododendron and Pogonanthum [J].
Notes Roy.Bot.Gard.Edinburgh,1980,39(1):1-207.
[26]Sleumer H.Ein System der Gattung Rhododendron L.[J].
Bot.Jahrb.,1949,74:511-552.
[27]高连明,张长芹,王中仁.九种杜鹃属植物的遗传分化研究
[J].广西植物,2000,20(4):377-382.
[28]周兰英,王永清,张丽.26种杜鹃属植物花粉形态及分类学
研究[J].林业科学,2008,44(2):55-63.
·75·
资源与利用  何云松 等:贵州百里杜鹃自然保护区杜鹃属植物分子系统学研究