论文部分内容阅读
鼻花族(Rhinantheae)是联系非寄生的玄参科和全寄生的列当科植物的重要桥梁,东亚是鼻花族的多样化中心和可能的起源中心。本研究选择鼻花族在该地区特有分布的“翅茎草复合群”(Pterygiella complex),即:翅茎草属(Pterygiella Oliver),马松蒿属(Xizangia D.Y.Hong),松蒿属(Phtheirospermum Bunge ex Fischer& C.A.Meyer)和五齿萼属(Pseudobartsia D.Y.Hong)。对该复合群的分子系统发育、翅茎草属种间关系以及传统鼻花族果实和种子形态进行了比较研究。主要研究结果如下:
1.“翅茎草复合群”的系统发育
基于已有列当科的分子系统学研究,结合NCBI(National Center forBiotechnology Information)已有序列,即124条PHYA序列、23条ITS序列、14条rpl16序列和17条trnL-F序列,应用最大简约法、贝叶斯法和最大似然法,单独及联合矩阵重建“翅茎草复合群”在列当科的系统发育关系。在此基础上,进一步应用进化速率不同的叶绿体片段atpB-rbcL、atpH-I、psbA-trnH、rpl16、trnL-F和trnS-G序列构建“翅茎草复合群”属间系统发育关系。此外,对PHYA基因的核苷酸序列、氨基酸序列、第一二位密码子以及第三位密码子重建系统发育的影响进行比较;并对PHYA在列当科的密码子偏见以及不同分支受到选择压力进行统计;并且尝试对不同序列和序列比对过程的插入/缺失对于构建系统发育树的影响进行比较和探讨。
研究表明:(1)叶绿体片段和核片段均支持“翅茎草复合群”不是一个单系类群,可以划分为两个不同的分支:Ⅰ和Ⅱ。分支Ⅰ包括了该复合群的大部分类群,即翅茎草属、马松蒿属、五齿萼属和松蒿属(除松蒿),在列当科内形成单独的分支,与山萝花属(Melampyrum L.)和鼻花属(Rhinanthus L.)等形成的分支具有较近缘的关系。分支Ⅰ的类群均狭域分布于东喜马拉雅-横断山区域,特别是马松蒿属主要分布于云南西北部的高黎贡山和邻近的西藏东南部,五齿萼属只见标本记录云南嵩明有分布。分支Ⅱ只包括松蒿属的松蒿(Phtheirospermumjaponicum(Thunberg)Kanitz),该分支与马先蒿属(Pedicularis L.)和火焰草族(Castillejeae)所在分支具有较近缘的关系,该属其它种或可从松蒿属中分离。分子系统学研究结果支持给予五齿萼和马松蒿以属级位置的分类处理。(2)PHYA不同数据类型构建系统发育树表明,核苷酸序列的密码子偏好和第三位密码子保留了重要的系统发育信息,相反地,氨基酸和第一二位密码子会误导错误的系统发育并具有较高的支持率。(3)ITS序列中ITS-2区域的二级结构信息,不仅包含了系统发育信息,而且通过二级结构的预测可以避免或排除旁系同源或假基因对于构建系统发育树的误导;序列比对过程中的插入/缺失事件具有系统学意义,但是对同塑的插入/缺失的编码,可能会形成错误的系统关系的推断。不同数据类型构建系统发育树的比较,性状的缺失以及取样并不会严重影响系统关系分析,而性状的选择和类群本身的演化方式是影响准确推断未知类群系统关系的主要因素。
2.翅茎草属种间关系
应用分析统学、DNA条形码和形态特征统计对翅茎草属4种(翅茎草(Pterygiella nigrescens Oliver)、杜氏翅茎草(Pterygiella duclouxii Franchet)、圆茎翅茎草(Pterygiella cylindrica P.C.Tsoong)和川滇翅茎草(Pterygiella suffruticosaD.Y.Hong))进行种间关系研究。应用ITS序列对该属采自15个居群的47个个体进行系统发育关系的研究;并在此基础上对6个叶绿体序列(mark、rbcL、trnD-Y、trnS-G、atpB-rbcL和psbA-trnH)、ITS、ITS-2序列以及ITS-2 RNA二级结构特征对于物种的鉴别力进行了评价;结合翅茎草属4个种74份标本10个数量性状和4个质量性状的统计和聚类分析探讨翅茎草属内种间关系。
研究表明:(1)基于分子系统发育和形态学分析,翅茎草属分为3个主要的分支。杜氏翅茎草不是一个单系类群,分为两个种或亚种(分支Ⅰ和Ⅱ);翅茎草应该包括杜氏翅茎草其中的一个分支(分支Ⅰ),其共有特征为茎上具有腺毛或短的非腺毛。分支Ⅲ包括两个种:圆茎翅茎草和川滇翅茎草,其种内和种间的形态变异和遗传距离均不支持将两者分开;因此,建议川滇翅茎草和圆茎翅茎草处理为同一个种更恰当。茎形态、叶脉数目和茎毛被情况是识别翅茎草属不同种的关键性状。(2)与叶绿体基因组内候选的DNA条形码相比,ITS区域具有更强的物种鉴别能力。在叶绿体基因组6个片段(共4073个位点)对翅茎草属的物种鉴别失效的情况下,ITS序列表现出100%的鉴别。其中,ITS-1和ITS-2区域均可有效的鉴别出翅茎草属内的所有种。(3)根据序列信息和二级结构特征在翅茎草属的所有个体间并没有表现出互补碱基的变化,但是根据CBCAnalyzer对矩阵加权处理后,对翅茎草属内的种得到100%的识别。因此。建议ITS-2序列信息和二级结构特征均可直接作为翅茎草属分子鉴定的条形码,为解决种间关系提供有效的信息。
3.传统鼻花族果实和种子形态
对传统鼻花族20属48种和相关类群9属10种的成熟果实和种子进行光镜和电镜观察,并对25个性状进行主成分分析和对其具有的系统学意义进行比较。
研究表明:(1)根据种子外部形态可以区分为四个类型:Ⅰ.网状,Ⅱ.冠状,Ⅲ.梯纹状,Ⅳ.光滑;根据种子内部径向壁和种子外表皮细胞增厚网状的类型又可以划分为6个亚型:Ia-1内部切向壁部分或完全裂解并且径向壁无增厚;Ia-2内部切向壁部分或完全裂解径向壁梯纹增厚;Ia-3内部切向壁部分或完全裂解条纹增厚;Ib-1内部切向壁完整径向壁无增厚;Ib-2内部切向壁完整具网纹增厚;Ib-3内部切向壁完整蜂窝煤状增厚。(2)鼻花族植物果实和种子的主要特征为:果实小、卵圆状、光滑无毛、外果皮网状且纵向壁突出、革质、顶端急尖;种子微尘状、多数、椭圆状、具有网状纹饰。这些特征表明传统鼻花族与列当科具有较近的关系。特别地,果实和种子的特征反映出翅茎草属、松蒿属、五齿萼属和马松蒿属之间比较近的关系。但是,马松蒿的果实具有多细胞的毛、种子网状膜质化,这些特征明显区别与翅茎草属。果实和种子的形态在松蒿组中的细裂叶松蒿与小齿组中的黑籽松蒿表现出了较多的相似性;松蒿组中的松蒿与该属其他类群在种子形态表现出异质性,如微尘状、多数、黄色、具冠状翅的网状。五齿萼的果实和种子小,黄色,种皮表面网状,而且五齿萼果实表面毛被明显不同于松蒿属。果实和形态学特征支持五齿萼、马松蒿作为单型属处理并提示松蒿可能为松蒿属中的异质成员。