张春,凡星,沙莉娜,康厚扬,张海琴,周永红,3*
(1.四川农业大学成都科学研究院小麦研究所,四川 成都611130;2.泸州医学院药学院,四川 泸州646000;3.四川农业大学作物基因资源与遗传改良教育部重点实验室,四川 雅安 625014)
广义披碱草属(Elymus)是禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)中最大的多年生属,全世界共有150余种。许多种类为优良牧草,有些物种具有麦类作物抗病和抗逆的优良基因,常被作物育种学家选作大麦和小麦远缘杂交的对象,把优异的基因转移到栽培的大麦和小麦中[1]。因此,作为丰富麦类作物和牧草遗传多样性的基因资源,这些属具有重要的研究意义。按Löve[2]和Dewey[3]基于染色体组的分类处理,广义披碱草属包括了形态上每穗轴节上着生一至多个小穗,颖呈披针形或卵状披针形,每个小穗含多枚小花,自花传粉的多年生物种。在这个属的定义下,披碱草属(Elymus)、鹅观草属(Roegneria)、猬草属(Hystrix)、裂颖草属(Sitanion)和仲彬草属(Kengyilia)均包括在广义披碱草属当中。
披碱草属是以老芒麦(Elymussibiricus)作为模式种建立的,约含有20~30个物种,主要分布于欧亚大陆,南北美洲及大洋洲[4]。该属中多异源四倍体或六倍体物种,具有StH、StYH、StYW等染色体组[2-4]。鹅观草属是以高加索鹅观草(Roegneria caucasica)为模式种建立的,约有120种,主要分布于北半球的温寒地带[5],为四倍体和六倍体物种,大多具有StY染色体组组成[4]。许多学者建议将鹅观草属归入披碱草属当中[2,3,6],但是我国学者在鹅观草属与披碱草属上做了大量、细致的研究,认为把鹅观草属单独建属更适合[7,8]。仲彬草属是以戈壁滩仲彬草(Kengyilia gobicola)为模式种建立的,含有StYP染色体组[9]。其形态介于鹅观草属和冰草属(Agopyron)之间[10]。Löve[2]和Jensen[11]将该类植物放在披碱草属中,而耿以礼和陈守良[7]将它们放入鹅观草属中。Yang等[12]则把它们组合到仲彬草属中。猬草属是以猬草(Hystrix patula)作为模式种建立的,其形态上具颖强烈退化甚至缺失的特点[13],由于其模式种具有StH染色体组,Löve[2]和Dewey[3]将其处理到披碱草属中。但是,目前的研究结果认为该属中的一些物种如:加拿大猬草(H.cali fornica)、H.duthiei和长芒猬草(H.duthiei ssp.longearistata)具有与赖草属(Leymus)相同的NsXm染色体组,使得其分类更为复杂[14,15]。裂颖草属是以大松鼠尾巴草(Sitanion hystrix)为模式种建立的,具锥状颖片,延伸成为较长的芒,小花逐节脱落的特征[16]。许多种间及属间杂交的结果表明,裂颖草属物种具有StH染色体组组成[2,3,17],Löve[2]将其划入披碱草属当中作为裂颖草组(Section Sitanion)来处理。因此,披碱草属、鹅观草属、猬草属、裂颖草属和仲彬草属在系统地位、属内等级划分及物种界限上还存在争论,其争论的焦点在于将它们归入披碱草属中,还是将其划分为独立的属来处理[2,3,7,8,11]。
广义披碱草属为St染色体组与Y、H、W及P等小麦族多年生物种中的基本染色体组组合构成的异源多倍体属[2-4],其St染色体组来源于拟鹅观草属(Pseudoroegneria)[2,3]。目前,关于拟鹅观草属St染色体组在广义披碱草属物种中的具体供体种仍不清楚。Dewey[18]阐明了北美披碱草的St染色体组来源于北美的拟鹅观草属二倍体物种。而分布于亚洲的拟鹅观草属二倍体物种,如黎巴嫩拟鹅观草(P.libanotica)、托瑞拟鹅观草(P.tauri)等则参与了亚洲物种的起源[19]。Sun等[20]根据细胞核RPB2基因的研究结果,认为穗状拟鹅观草(P.spicata)和糙缘拟鹅观草(P.stipi folia)是披碱草属物种的St染色体组供体,而黎巴嫩拟鹅观草则可能没有参与披碱草属物种的形成。Stebbins和Pun[21]根据二倍体拟鹅观草物种的种间杂种花粉母细胞配对数据和育性分析结果,首次提出了St染色体组在不同的二倍体物种间存在变异(如:St1St1、St2St2等),具有一定程度的分化。Mason-Gamer和Kellogg[22]对Waxy基因的外显子序列进行分析,认为拟鹅观草属物种非单系起源。因此,具体是拟鹅观草属中的哪一个或哪几个物种充当了广义披碱草属物种形成时的二倍体供体,以及St染色体组的分化问题尚需进一步探讨。
根据叶绿体rpoA、trnL-F、ndhF等基因序列分析的结果,表明具有St染色体组的小麦族异源多倍体物种的母本供体均为St染色体组[23-25]。然而,颜济等[26]根据核型研究结果,具StYP染色体组成的仲彬草属物种其随体出现在4P和6P染色体上,认为仲彬草属物种是由冰草属二倍体物种(P染色体组)作为母本与鹅观草属四倍体物种(StY染色体组)作为父本杂交后加倍形成。因此,广义披碱草属植物的母本来源目前还存在争议。
随着PCR和DNA测序技术的产生和发展,分子数据为植物系统学研究提供了丰富而翔实的资料,成为解决系统与进化方面的一个十分重要的技术手段。越来越多的研究者正选择合适的DNA序列用于研究小麦族异源多倍体植物的染色体组成及其起源与进化历史[20,22-25,27]。叶绿体基因组由于其序列为单拷贝,大多数被子植物中是母系遗传,通常用于推断杂交物种形成中的母系来源[23,25]。叶绿体trnL(UAA)-trnF(GAA)基因片段包括了2段外显子,1段内含子和1段基因间隔区,由于其适中的进化速率已经被广泛应用于研究小麦族植物杂种形成的系统发育研究,特别是用来探讨多倍体物种的母本起源,也可在一定程度上揭示相关物种的系统发育关系[23-25]。本研究通过对34份广义披碱草属物种和其相关二倍体物种的叶绿体trnL-F的序列进行系统学分析,目的在于:1)探讨披碱草属、鹅观草属、猬草属、裂颖草属和仲彬草属间的系统发育关系;2)揭示广义披碱草属物种的母本染色体组来源;3)探讨广义披碱草属物种中St染色体组的来源及其分化。
本研究选取了34份四倍体及六倍体广义披碱草属植物材料,含有StY、StH、StStY、StYP、StYH、StYW 及NsXm染色体组组成;14份二倍体物种材料包括来自于欧洲、亚洲及北美的5份拟鹅观草属材料(St染色体组)、3份大麦属(Hordeum)材料(H染色体组)、2份南麦属(Australopyrum)材料(W 染色体组)、2份冰草属材料(P染色体组)、2份新麦草属(Psathyrostachys)材料(Ns染色体组)。选取扁穗雀麦(Bromus catharticus)作为外类群。所有材料的序号、物种名称、采集编号、来源及GenBank注册号列于表1。PI编号的材料种子由美国国家植物种质库(American National Plant Germplasm System,Pullman,Washington,USA)提供,其余的由四川农业大学小麦研究所提供,由四川农业大学小麦研究所颜济教授和杨俊良教授鉴定,凭证标本藏于四川农业大学小麦研究所标本室(SAUTI)。
表1 供试材料Table 1 The materials used in this study
续表1 Continued
1.2.1 总DNA的提取纯化及测序 2006年9月,将所有材料的种子置于25℃发芽,每份材料分别取约1 g新鲜叶片,液氮中研磨至粉末状,放入1.5 mL离心管中,采用CTAB法[28]提取总DNA。trnL-F序列使用Taberlet等[29]设计的通用引物进行高保真 PCR扩增。其序列为:c(5′-CGAAATCGGTAGACGCTACG-3′)和 f(5′-AT TTGAACTGGTGACACGAG-3′)。PCR反应总体系 25 μ L,包括 10 ×反应缓冲液 2.5 μ L,MgCl21.5 mmol/L,dNTP 200 μ mol/L,引物 1 μ mol/L,20~40 ng DNA 模版,Ex Taq酶0.5 U(中国大连 TaKaRa公司)。PCR反应程序为:94℃预变性4 min;94℃变性40 s,60℃退火50 s,72℃延伸2 min,25个循环;最后72℃延伸8 min。扩增反应在GeneAmp PCR System 9700(美国加利福尼亚州 Applied Biosystems公司)扩增仪上进行。PCR产物在1.0%的琼脂糖凝胶上电泳,条带分离后,用琼脂糖凝胶回收试剂盒(美国乔治亚州Omega公司)对其进行回收、纯化。纯化后的PCR产物送到北京三博远志生物技术有限公司进行双向测序。所有材料均采用相同方法重复测序1次,2次测序结果完全相同后,将测序结果登录到GenBank中(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)。
1.2.2 序列分析 trnL-F序列边界的划定参照NCBI上登录序列。用Clustal软件[30]进行对位排列后再进行手工校正。trnL-F序列的核苷酸多态性估计及基因中性检测采用DnaSp 4.0[31]完成;碱基组成及替代用MEGA v.3.0[32]进行。
1.2.3 系统发育分析及网状进化分析 trnL-F序列采用最大简约法(maximum parsimony,MP)构建系统发育树。使用PAUP*4.0B10[33]软件包完成。最大简约法分析采用启发式搜索(Heuristic),分支交换算法采用树对分重接(tree bisection-reconnection,TBR)法,100次随机添加替代。所有空位(gap)作为缺失处理,每个特征值作为等权处理。系统发育树拓扑结构的可靠性用1 000次重复抽样(replicates)的自展分析(bootstrap,BS)来检验。
利用Median-joining(MJ)算法对trnL-F序列进行网状结构分析[34],使用Network 4.1.1.2软件完成。
trnL-F序列的核苷酸多态性估计包括位点总数(n)、分离位点数(s)、比对多态性平均数(π)、分离位点多态性平均数(θ w)、以及序列中性突变检测,结果列于表2。trnL-F序列的碱基转换(si)为4,颠换(sv)为5;trnL-F序列的碱基频率A=0.326、T=0.365、C=0.167、G=0.142,转换与颠换偏向比R=0.609;用最大似然法估计的碱基替代率如表3所示,其中颠换率明显高于转换率。
表2 trnL-F序列的核苷酸多态性估计以及序列中性突变检测Table 2 Estimates of nucleotide diversity and test statistics for trnL-F sequences
表3 最大似然法估计的碱基替代率Table 3 Base substitution based on maximum likelihood
34份广义披碱草属材料、14份相关二倍体材料和外类群的trnL-F序列排序后,位点总数为772个,其中变异位点145个(占位点总数的18.78%),信息位点58个(占位点总数的7.51%),保守位点627个(占位点总数的81.22%)。
最大简约分析得到 310棵简约树,树长(tree length)为202,一致性指数CI(consistency indenx)为0.792 1,保持性指数RI(retention index)为0.800 9,50%多数一致树如图1所示。简约分析将所有材料分为三大支(St支、Ns+H支和P+W支)。St支包括了除黑药仲彬草、梭罗仲彬草、H.duthiei、长芒猬草外所有的广义披碱草属物种和拟鹅观草属二倍体物种,自展支持率(BS)为50%。Ns+H支(BS为70%)是由Ns亚支(BS为96%)和H亚支(95%)组成的。Ns亚支包括2个新麦草属物种脆轴新麦草、新麦草和2个猬草属物种H.duthiei和长芒猬草;H亚支由大麦属二倍体物种布顿大麦、北野大麦和芒颖大麦组成。P+W支包括了P亚支(BS为94%)和W亚支(BS为64%)。二倍体冰草属物种与黑药仲彬草和梭罗仲彬草组成了P亚支,而2个南麦属植物组成W亚支。
为显示所有含St染色体组的广义披碱草属物种中St染色体组的来源,根据trnL-F序列构建了网状结构图(图2)。48个类群形成47个单倍型(haplotype),结果显示了高水平的单倍型多态性。trnL-F序列将广义披碱草属植物分为三大支,与根据最大简约法构建的系统树一致。在St支中,所有物种被划分为2个类群。分布于亚洲的拟鹅观草属二倍体物种(黎巴嫩拟鹅观草、乌克兰拟鹅观草、细长拟鹅观草和糙缘拟鹅观草)与广布亚洲的鹅观草属、披碱草属、仲彬草属和猬草属物种聚为一类,为亚洲类群。其中,大丛鹅观草距P+W支最近,它们之间发生了14个位点的突变。分布于北美的穗状拟鹅观草与大松鼠尾巴草、加拿大裂颖草、哇瓦披碱草、喜马拉雅鹅观草、加拿大披碱草、鹅观草和北方冰草组成北美类群。
图1 基于广义披碱草属及其相关属trnL-F序列的MP 50%多数一致树Fig.1 50%majority-rule MP tree inferred from the trnL-F data of Elymus sensu lato and its closely related species分支上数字为自展值(>50%)Numbers above the branches indicate bootstrap values>50%
图2 基于广义披碱草属及其相关属trnL-F序列的MJ网状结构图Fig.2 MJ network of the Elymus sensu lato and its closely related species
Hsiao等[35]采用ITS序列构建了小麦族30个二倍体物种的系统发育关系,揭示出小麦族的染色体组都是单系的,P和W染色体组的关系最近,H染色体组处于小麦族系统发育的基部。细胞学资料表明:St和Y染色体组有较近的亲缘关系,St、P和W染色体组的关系也很近,它们与H和Ns染色体组的关系较远[36]。trnL-F片段是单拷贝序列,其基因间隔区片段具有较多的插入缺失和较高比例的置换突变,且易于扩增,因此,该片段已被成功应用于解决种间或种上等高级分类等级的系统学研究[24,25]。本研究结果表明,trnL-F基因树的拓扑结构按照染色体组St、P、W、H和Ns分成5个单系,含P染色体组的所有二倍体种聚成一支和含W染色体组物种的分支构成姊妹群;含H染色体组的所有二倍体种聚成一支和含Ns染色体组物种的分支构成姊妹群。可以看出,P与W染色体组间关系很近,H和Ns染色体组间关系较近而与P、W和St关系较远。此结果基本上与过去的分子生物学和细胞学的证据得到的结果相同。
在披碱草属、鹅观草属、猬草属、裂颖草属和仲彬草属中,有些物种具有不同的染色体组组成但却归入同一属内,如:披碱草属内存在StYH、StH、StYW等几种染色体组组成;而具有相同染色体组的物种被划为不同的属,如:鹅观草和垂穗披碱草同具StYH染色体组但却被分别划入鹅观草属和披碱草属中。这是由于过去单纯按照形态学特征来进行的划分,缺乏许多物种的细胞学资料造成的。随着大量物种的细胞学资料和分子生物学资料的积累,这些属的系统地位和物种的关系将逐步澄清。Jakob和Blattner[37]基于叶绿体trnL-F序列,发现利用建树的系统分析方法研究大麦属植物系统亲缘关系普遍存在零支长分支、节点支持率较低,对于大麦属物种间系统关系处理较困难。本研究中,披碱草属、鹅观草属、猬草属、裂颖草属和仲彬草属中大部分物种都聚类在St支中,但是仍然出现支节点支持率很低和较多的零支长分支问题,没有找到这5个属相应的单独分支。因此,对5个属的系统地位和属间系统关系的处理比较困难。但是,对于仲彬草属和猬草属中一些物种的系统学关系,可以提供证据。仲彬草属的黑药仲彬草和梭罗仲彬草与冰草属的二倍体物种聚类在一起,表明黑药仲彬草和梭罗仲彬草与冰草属的关系较近。猬草属的模式种猬草聚在St支中,而H.duthiei和长芒猬草聚在Ns支中,表明它们具有不同的染色体组成。该结果支持利用细胞学的研究结果[14,15],将猬草归入披碱草属中,而将H.duthiei和长芒猬草归入赖草属中。
在禾草植物当中,叶绿体基因组为母性遗传,通常被用于推断杂交物种形成中的母本来源。许多研究者通过叶绿体基因组的DNA片段如:ndhF、trnL-F、rpoA等基因片段,对小麦族多年生物种的母本来源进行研究,结果表明,具有St染色体组的物种在形成杂种时更容易做母本[23-25]。但是,根据细胞学的研究结果,具StYP染色体组成的仲彬草属物种的母本来源于P染色体组而非St染色体组[26]。本研究中,由trnL-F序列构成的系统进化树和网状结构图可看出:大部分具St染色体组的物种与拟鹅观草属二倍体物种聚类在一起,表明他们的母本染色体组供体为St染色体组。但是,仲彬草属的黑药仲彬草和梭罗仲彬草与二倍体冰草属物种聚为一支,且支持率很高,可以推断在仲彬草属中有些物种如黑药仲彬草和梭罗仲彬草的母本来源于冰草属物种,而一些物种的母本则来源于拟鹅观草属物种。形态上,仲彬草属植物是介于冰草和鹅观草之间,黑药仲彬草和梭罗仲彬草小穗排列紧密更像冰草,而戈壁滩仲彬草和硬杆仲彬草小穗稀疏更像鹅观草[26]。从此结果看出,似乎母本染色体组来源与仲彬草属物种的形态特征有联系,但是还需利用更多的材料,采用细胞学和分子手段等相结合的方法,来进行更深入系统的研究。
细胞学研究表明,猬草属模式种猬草具StH染色体组,因此被 Löve[2]和Dewey[3]放在披碱草属,然而 H.duthiei、长芒猬草具NsXm染色体组与赖草属物种的染色体组相同[14,15]。本研究中,猬草与二倍体拟鹅观草属物种聚类在一起,表明其母本染色体组供体为St染色体组,而其他2个猬草属物种H.duthiei,长芒猬草聚类在Ns支中,表明它们母本来源于新麦草属物种。因此,猬草属的模式种与其他物种的母本来源不同,此结果也支持目前依据细胞学资料对猬草属物种的分类处理[14,15]。
细胞学证据表明了St染色体组在不同的二倍体物种中具有一定程度的分化[21,38]。Sun等[39]根据RPB2基因序列的数据,提出二倍体拟鹅观草属物种黎巴嫩拟鹅观草的RPB2基因序列不同于糙缘拟鹅观草和穗状拟鹅观草。Yu等[40]根据ITS序列的分析结果,表明二倍体拟鹅观草属物种聚在不同的分支中,认为它们之间有分化。
网状分析可以将单个突变分离成比邻的单倍型,因此能反映突变速率较低的叶绿体基因单倍型间的基因谱系关系(genealogical relationships),即能够区分序列间的单个碱基突变、揭示物种的来源、多倍体物种的供体[36,41,42]。本研究选用的5个拟鹅观草属二倍体物种具有不同的地理分布:黎巴嫩拟鹅观草主要分布于伊朗地中海一带;细长拟鹅观草分布于西亚高加索;糙缘拟鹅观草分布于中亚、克里米亚和高加索;乌克兰拟鹅观草主要分布于东亚地区;穗状拟鹅观草则分布于北美西部直到阿拉斯加。trnL-F基因序列的网状结构分析表明,5个地理分布不同的拟鹅观草属二倍体物种没有形成一个单系组,且他们之间具有较多的突变位点,表明这几个二倍体物种间存在一定程度的分化。
Hsiao等[35]认为:黎巴嫩拟鹅观草分布于地中海沿岸地区,是较为古老的拟鹅观草属物种,而穗状拟鹅观草主要分布于北美,是最近引入到美国的。从地理分布来看,虽然穗状拟鹅观草的分布相隔其他拟鹅观草属物种远,但是它与黎巴嫩拟鹅观草之间的突变位点数为12,而黎巴嫩拟鹅观草与乌克兰拟鹅观草之间的突变位点数大于20,表明黎巴嫩拟鹅观草与穗状拟鹅观草之间的关系较近,而与乌克兰拟鹅观草的关系要远些,该结果也与Liu等[24]利用ITS序列构建二倍体物种的系统树结果是一致的。因此,穗状拟鹅观草可能是由亚洲分布的物种扩散迁移至美洲,由于地理隔离而独立成种。
杂交-分化是植物演化的重要过程,也是物种形成的主要动力之一[43]。叶绿体基因由于是单亲遗传,可以在相同的母本背景下探讨物种之间的母本染色体组的变异。本研究中,除少数仲彬草属物种外,其余广义披碱草属物种的母本染色体组均为St染色体组。因此,可以比较在多倍体物种中St染色体组的异同。在网状结构图的St支当中,大部分分布于亚洲的物种聚类在一起构成了亚洲类群,而分布于北美的物种聚类在北美类群中,表明这2个类群物种的St染色体组有变异。亚洲类群中大丛鹅观草与冰草之间仅有14个位点发生突变,表明其St染色体组发生了分化,这个分化的St染色体组与冰草中的P染色体组关系较近。直立披碱草和短柄鹅观草在网状结构图中远离了其他广义披碱草属植物。直立披碱草含有StYW染色体组,仅分布于澳大利亚和新西兰等地,因此,其St染色体组在参与异源多倍体物种形成的过程中,可能受到澳洲独特的地理环境影响造成了St染色体组在这一地区的严重分化。该结果也支持颜济等[26]将具有StYW染色体组组成的大洋洲特产的物种处理到花鳞草属(Anthosachne)中。
St染色体组在广义披碱草属中是最重要的基本染色体组。目前,关于广义披碱草属物种中St染色体组具体的拟鹅观草属供体种的报道还很少。过去的观点认为北美与亚洲的广义披碱草属物种是独立起源的[18,19]。但是目前分子证据表明黎巴嫩拟鹅观草可能没有参与披碱草属物种的形成[20]。在亚洲,尤其是中亚山区,被认为是广义披碱草属植物的起源和遗传多样性中心,这是因为这个地区拥有最丰富的广义披碱草属物种,且这些多倍体物种具备不同倍性(2n=4x=28、2n=6x=42、2n=8x=56)和不同的染色体组组成[3]。本研究中,大部分分布于亚洲的广义披碱草属物种与其相同分布的拟鹅观草属二倍体物种(黎巴嫩拟鹅观草、乌克兰拟鹅观草、细长拟鹅观草和糙缘拟鹅观草)聚在亚洲类群中,暗示这4个拟鹅观草属物种可能参与了大部分广义披碱草属植物的起源。其中黎巴嫩拟鹅观草、阿拉善鹅观草、纤毛鹅观草和直穗鹅观草处在2个单倍型(RELYT和HYPAT)构成的节点端部,暗示黎巴嫩拟鹅观草可能参与了这些物种的起源。分布于北美的物种大松鼠尾巴草、加拿大裂颖草、北方冰草、哇瓦披碱草和加拿大披碱草与穗状拟鹅观草聚在一起,推断穗状拟鹅观草可能参与了这些北美物种的起源。分布于北美的猬草与亚洲物种聚在一起,表明猬草的原始祖先种可能分布于亚洲,之后再扩散迁移到美洲的,此结果也验证了亚洲是广义披碱草属植物的起源和遗传多样性中心的假说。
由不同物种相互杂交后再进行多倍化过程,导致物种的形成是多倍体物种形成的主要方式[43]。物种的多倍化过程是动态的,可以不断的与亲本杂交,也可以与相同或更高倍性的物种杂交,因此,许多多倍体物种经历了多次杂交事件而起源[44]。垂穗披碱草、喜马拉雅鹅观草和鹅观草的染色体组组成均为StYH,且都分布于亚洲,但是在形态上却具有差别:垂穗披碱草具每穗轴节着生2个小穗且排列紧密,具有披碱草属物种的特征,而喜马拉雅鹅观草和鹅观草为每穗轴节着生1个小穗,排列疏松更像鹅观草属植物[2,3]。本研究的网状结构分析表明,垂穗披碱草、喜马拉雅鹅观草和鹅观草的St染色体组供体差异较大。垂穗披碱草的St染色体组与亚洲的拟鹅观草属二倍体物种较近,而喜马拉雅鹅观草和鹅观草的St染色体组更接近于北美的拟鹅观草属二倍体物种。根据此结果推测,具StYH染色体组组成的多倍体物种可能经历了多次重复杂交过程,因而导致了其母本St染色体组的差异,这种多次重复杂交的多重起源方式,在其他物种中也有发现[24,43,44]。
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