鸭茅物种起源与系统发育分析研究进展

安明珠， 韩 博， 姜 华， 段新慧， 文亦芾， 周 凯

(云南农业大学动物科学技术学院， 云南 昆明 650201)

鸭茅(DactylisglomerataL.)，又叫鸡脚草(Cocksfoot)或果园草(Orchardgrass)，是多年生禾本科鸭茅属(DactylisL.)的唯一物种，在亚洲中部及西部的温带和热带地区、欧洲西南部的温带地区以及非洲北部和西部的加那利群岛等地方分布广泛[1]。鸭茅具有经济价值高、营养丰富、产量大、适应性好等优点[2]，广泛应用于放牧及干草和青贮饲料的调制等方面，是世界上非常重要的牧草和石漠化治理的主要草种资源之一[3-4]。

鸭茅的形态受环境影响较大，会因地理分布不同而存在明显的差异，使用传统的形态学方法对鸭茅的起源及进化进行分析所能获得的信息较少，具有一定的局限性[5]。随着细胞标记、生化标记及分子标记等技术的应用，对于鸭茅物种起源进化及遗传多样性研究越来越多[6-7]，但缺乏全面及系统化的研究，使结果不同甚至矛盾，这给鸭茅种质资源保护、利用及遗传育种等方面带来了一定的阻碍。

本文从传统的形态学分类方法到基于分子的系统发育分析方法，对鸭茅资源的研究进行归纳总结，了解鸭茅的起源分布、进化历程及系统分类的研究进展，这不仅对鸭茅育种具有重要的指导意义，而且对更好的保护鸭茅的种质资源有重要的意义，为进一步构建鸭茅完整的遗传进化图谱提供借鉴，促进鸭茅育种技术的可持续发展。

1 鸭茅的地理分布

由于风媒传粉、自然选择等原因造成鸭茅不断发生异交，使得鸭茅广泛分布在世界各地，产生许多的鸭茅亚种。根据染色体数目对鸭茅分类，可分为二倍体亚种、四倍体亚种和罕见的六倍体亚种三种类型。根据古植物学调查研究发现鸭茅起源于二倍体，其他的亚种是由二倍体进化发展而来[5]。二倍体鸭茅的分布较窄，四倍体鸭茅分布最广，不同倍性之间能够同域共生(见表1)，形态特征上较为相似。

表1 二倍体、四倍体鸭茅不同亚种分布区域

鸭茅种群特征与地理分布呈正相关关系，能够很好地适应不同生态类型的栖息地[6-7]。依据鸭茅亚种的地理分布和形态特征，二倍体和四倍体鸭茅可分为欧亚型二倍体、地中海型二倍体、广布型四倍体、特定区域四倍体以及与二倍体亚种存在一定关联的特定区域四倍体共5个群体[8]。

1.1 二倍体鸭茅亚种的地理分布

二倍体鸭茅亚种起源于中亚地区，并随着冰川期的发生逐渐向周边地区扩散开来。从中国迁移到葡萄牙和北非，以及附近的北大西洋岛屿如加那利群岛和佛得角[9]。与四倍体居群分布范围广相比，二倍体鸭茅居群则更多的分布于非洲北部地区的峡谷和森林栖息地[10]。

冰河时期造成鸭茅产生地理隔离，使二倍体鸭茅subsp.judaica，subsp.himalayensis和subsp.parthiana分布于西亚的西南如伊朗、阿塞拜疆等地区，而其余的二倍体鸭茅则分布在西亚的西北地区[11]。通过ITS测序对二倍体鸭茅的分布区域进行了具体的研究，发现二倍体鸭茅祖先种subsp.judaica主要生长在西亚的以色列山区地带以及黎巴嫩和叙利亚部分地区；subsp.himalayensis分布在喜马拉雅山脉以西的海拔1 800～4 000 m的温带森林区域；subsp.parthiana生长在伊朗的厄尔布尔斯山脉北坡海拔1 600～1 900 m间潮湿的橡树林中。而其他二倍体鸭茅，如subsp.smithii和subsp.metlesicsii在西班牙、葡萄牙和北非分布广泛[12]；subsp.sinensis生长于中国西北部以及中国中部海拔1 000～3 800 m的温带森林区域；subsp.altaica生长在哈萨克斯坦的阿拉套山脉；subsp.aschersoniana大部分生长在高加索山脉的阔叶森林里，以及中欧北到瑞典，东到俄罗斯西部，南到南斯拉夫和马其顿北部的具有大陆性气候的高海拔的温带森林地区；subsp.lusitanica仅在葡萄牙塞拉德辛特拉山地，极少存在于葡萄牙中南部的一些地方；subsp.iscai生长在西班牙的加利西亚，海拔400～650 m的森林里；subsp.woronowii分布于伊朗北部和东北部、土库曼斯坦的原始森林和草原以及在伊朗厄尔布尔士山脉1 500 m左右干燥的裸露的石灰岩层上；subsp.hyrcana分布于阿塞拜疆和伊朗塔利什海拔200～300 m的落叶林；subsp.mairei生长于阿尔及利亚的凯拉塔峡谷石灰质悬崖的阴暗面；subsp.santai和subsp.castellata生长在阿尔及利亚西部到摩洛哥西部150～1 500 m的泰勒阿特拉斯湿润和半湿润的气候区域；subsp.juncinella生长在西班牙内华达山脉海拔2 200～2 900 m的亚高山和高山的草地上；subsp.ibizensis生长在西班牙附近的巴利阿里岛[6,13]。

1.2 四倍体鸭茅的地理分布

四倍体鸭茅较二倍体鸭茅而言，具有更强的环境适应能力，分布范围几乎覆盖所有鸭茅种区域。原始四倍体鸭茅可能是由一个二倍体鸭茅居群的染色体组加倍而来的同源四倍体，因此，常能与二倍体鸭茅同域共生[7]。目前四倍体鸭茅共有六个亚种，其分布范围如下：subsp.glomerata生长于北半球温带森林地区，中国的西南部等地分布广泛；subsp.slovenica主要生长在中欧海拔600～1 300 m之间的山地，通常生长在石灰石和白云石的土壤上；subsp.hispanica广泛分布在伊比利亚半岛到克里米亚和高加索地区的地中海区域；subsp.Marina分布在欧洲西南部地中海沿岸的海边悬崖和大西洋群岛；subsp.oceanica生长在法国南部和大西洋海岸以及法国西北部的海峡沿岸；subsp.hylodes仅分布在马德拉岛的内陆悬崖、加那利群岛和佛得角等地[6]。

1.3 六倍体鸭茅的地理分布

六倍体鸭茅研究较为稀少，目前仅在利比亚、埃及西部的部分地区及西班牙的加利西亚蓬特韦德拉海岸有所发现[14-15]。

2 鸭茅的形态特征研究进展

鸭茅迁移到不同的地方，为适应不断变化的环境条件，会进化成不同形态的鸭茅亚种。因此，鸭茅不同倍性水平所表现出的形态学特征存在着较为明显的差别[16-17]。不同的生育时期内鸭茅物种的形态特征也有所不同，其中鸭茅的株高、茎宽、叶片长宽和种子大小的变化最小，最为明显的是种子的千粒重变化程度、旗叶和花药的长度以及花序形态等[18]。

2.1 不同倍性水平鸭茅营养生长期的特征

不同倍性鸭茅亚种营养生长期的特征因所处的环境不同而出现不同表现。通过对不同倍性鸭茅株高进行测量，发现与四倍体鸭茅亚种相比，大部分的二倍体鸭茅亚种具有营养生长期缓慢，纤维积累慢等特点[19]。但也有部分亚种会表现出与上述不同的特征，如分布在喜马拉雅山脉地区的二倍体鸭茅亚种subsp.himalayensis具有株型较大、叶片宽且长、生长旺盛等特征[19-22]。生长在地中海区域的四倍体鸭茅亚种subsp.hispanica(Roth) Nyman植株较为低矮、叶片光滑且无锯齿，小穗紧凑且分枝少[23]。

2.2 不同倍性水平鸭茅的繁殖期特征

繁殖时期的二倍体鸭茅与四倍体鸭茅形态特征不同，通过对不同倍性的鸭茅的穗数、生殖枝比例、种子数、发芽势和发芽率进行测定，结果发现：(1)与四倍体鸭茅相比，二倍体鸭茅的花序和种子大小、千粒重及叶片量明显较小，但二倍体的可育性更高一点[24]。(2)二倍体鸭茅开花较迟，小穗较为细弱且弯曲下垂，而分布在地中海地区的四倍体鸭茅开花能在春季的短时间内发生[25]。

3 鸭茅的分子遗传多样性分析研究进展

遗传多样性主要是指在物种内不同种群之间或不同个体之间的遗传变异程度，是物种能够在复杂多变的生境条件下赖以生存的基础保障[3,26-27]。通过对鸭茅的遗传多样性进行研究，不仅能够为其揭示遗传结构提供依据，也为进一步发掘自然野生鸭茅种质资源提供了理论基础。

遗传多样性越高，物种就越能适应外部环境的变化并减缓物种之间的分化速度。不同倍性鸭茅居群在遗传多样性方面变异程度不同，与二倍体鸭茅相比，四倍体鸭茅拥有更多的遗传变异可能性。此外，地理分布上不同鸭茅种群的遗传多样性水平在区域内或区域之间的也可能不同[28]。造成这样的原因可能是受地理条件、气候类型、育种系统和在栽培中基因流的变化等的影响。随着现代生物技术的飞速发展，对鸭茅遗传多样性的研究也从最初的形态学、同工酶研究到细胞学、分子生物学研究逐渐深入。分子标记技术的应用解决了由于环境影响而带来的误差，通过分子标记来测定相似表型的鸭茅亲缘关系能更加准确[29]。这些分子标记包括显性标记如随机扩增多态性DNA标记(Random amplified polymorphic DNA，RAPD)、简单序列重复区间扩增多态性标记(Inter-simple sequence repeat，ISSR)、相关序列扩增多态性(Sequence-related amplified polymorphism，SRAP)等，共显性标记如简单重复序列(Simple sequence repeat，SSR)、EST-SSR等及ITS鉴定(Internal transcribed spacer，ITS)内转录间隔区等。

3.1 不同倍性鸭茅同工酶研究

同工酶，指能够催化相同的反应但分子构造不同的酶，受一个或几个基因座控制，共性普遍，因此常被用于物种进化、遗传变异分析和育种等方面的研究[30]。帅素容等[31]通过对我国亚热带地区不同倍性野生鸭茅的同工酶进行比较研究发现，二倍体鸭茅与四倍体鸭茅之间的同源性存在较大的差异。对生长在地中海地区四倍体鸭茅和欧亚地区的二倍体鸭茅进行同工酶多态性分析，发现与二倍体相比，四倍体鸭茅的基因座上有更高水平的多态性[32]。同工酶的表达具有一定的时效性，并不能够准确对不同倍性的鸭茅进行测定分析其遗传多样性[33]。

3.2 显性标记

RAPD可用于检测DNA序列的多态性[34]。Tuna等[35]利用RAPD标记对土耳其北部地区的野生鸭茅材料进行研究，发现四倍体鸭茅比二倍体鸭茅具有更丰富的遗传变异基因。陈伟等[36]对贵州省23份野生鸭茅材料进行了RAPD分析，结果也证明了鸭茅具有较为丰富的遗传多样性。

ISSR是在SSR基础上建立的，具有多态性高、专一性强等优点[37]。范彦[38]和曾兵等[39]采用ISSR分子标记技术对不同地区的鸭茅材料进行研究发现鸭茅的遗传多样性较为丰富，能够随地域的分布表现出一定的规律性。

SRAP能较好地从分子水平上揭示鸭茅的遗传信息[40]。Zeng等[41]利用SRAP标记对国内外不同地区鸭茅种质资源进行遗传多态性分析，结果表明，不同地区的鸭茅材料之间存在着丰富的遗传变异，其遗传多样性与倍性水平及生存环境关系密切。

扩增片段长度多态性(Amplified fragment length polymorphism，AFLP)，具有遗传多态性好、重复性能强等特点，在遗传进化上的应用较为广泛[42]。Reeves等[43]通过对比意大利和法国的二倍体鸭茅居群发现生长在不同海拔高度的二倍体鸭茅居群间存在着遗传多样性，聚类分析结果显示鸭茅的遗传变异与其倍性水平和形态特征具有相关关系，与其地理分布存在显著关系。张成林等[44]对新疆和吉尔吉斯斯坦两个地区的二倍体鸭茅群体进行了遗传多样性分析，发现研究材料拥有丰富的遗传变异性，但它的多样性不仅受到了地理区域隔离的限制，同时也受到环境因子的影响。Peng等[45]检测了中国和美国两个采集的32个野生鸭茅的遗传多样性和相关性，发现鸭茅群体在倍性水平和地理区域中存在较大比例的变异性。

综上所述的几种显性标记的方法，在对鸭茅的遗传多样性检测中均表现出较高的分化效果，但是显性分子标记的重复性不高，操作较为复杂，耗时长，存在一定的局限性[46]。

3.3 共显性标记

SSR拥有较多可检测的等位基因位点，能够为研究物种的基因变化提供更加细致的分析范围[47-48]。相较于上面的显性分子标记来说，其对于DNA质量要求并不高，且准确性高，能够更好的应用于遗传多态性的检测上。例如万刚等[49]利用SSR技术对二倍体及四倍体鸭茅进行了检测，结果表明二倍体与四倍体类群遗传变异主要存在于类群内，少数存在于类群间，同时发现四倍体类群的遗传多样性较二倍体类群更为丰富。对比ISSR和SRAP标记，利用SSR标记对鸭茅进行遗传多样性分析发现，鸭茅的遗传多态性更高。在利用同工酶进行分析时，二倍体类群与四倍体类群没有显著的差异，而利用SSR方法时却得出两者之间存在明显的差异[50]。Modesis[51]利用SSR标记和ISSR标记方法对希腊的三个不同地区的鸭茅进行遗传多样性分析，结果表明了三个位点的多态性均较高。通过对比发现，基于SSRs分析的南部鸭茅种群和基于ISSRs分析的中部鸭茅种群具有更高水平的遗传多样性，证明了遗传变异主要存在于测试群体内部比起在群体之中。Last等[52]对欧洲瑞士、保加利亚和挪威三个地理区域内和之间的不同倍性鸭茅进行遗传多样性、分化模式分析，揭示了四倍体鸭茅亚种subsp.glomerata的高遗传多样性。

3.4 ScoT标记

ScoT标记是一种新兴的，基于翻译目标起始位点的分子技术，与其他分子标记技术相比，更能反映性状的多态性，在物种种质资源鉴定、保护和利用及高密度遗传连锁图谱的构建等方面应用广泛[53-54]。例如利用ScoT对来自世界四大洲的32个鸭茅品种进行了遗传变异分析，检测出较丰富的遗传多态性，扩增平均多态性条带为11.14条[55]。

3.5 ITS序列

ITS序列是指位于真菌核糖体RNA(rRNA)基因转录区或对应多顺反子rRNA前体中大、小亚基rRNA之间的核酸序列。Stewart等[56]利用ITS序列分析中国二倍体鸭茅，结果发现中国的二倍体鸭茅与欧洲二倍体鸭茅是相似的，证实了它们可能是从古欧洲群体迁移到中国的，但其准确性还需进一步结合地理学及形态学特证进行验证。

3.6 基因组信息

分子标记技术的使用依托于物种的基因组信息，Huang等[57]人以二倍体鸭茅为材料，采用测序技术与生物信息学技术联合方法，构建了鸭茅全基因组数据库，将为进一步应用新型分子标记技术来研究鸭茅提供重要的基础信息支撑。

上述的分子标记方法都存在着不同程度的缺点，将这些方法联合应用要比单独应用其中一种方法更加高效、准确[58-59]。

4 系统发育分析

系统发育学主要是应用于研究和重新构建鸭茅进化关系的一门学科，通过了解系统发育关系对于检验关于生物起源的假设和不连续分布模式的原因是十分必要的。在物种起源和系统发育的研究中，分子生物学常用的数据主要是来自于细胞核基因、叶绿体基因和线粒体基因三种方式。通过对鸭茅ITS和trnL内含子叶绿体序列进行测定，发现鸭茅物种的第一次进化大约60 000～210 000年前[6]。与鸭茅最接近的属是金穗草属(LamarckiaaureaL.)，它的分枝距今约200 000～750 000年，其具有超过28个ITS序列差异和1～2个trnL内含子叶绿体差异，比二倍体鸭茅ITS和trnL序列差异要多，这进一步支持了鸭茅分枝距今进化时间的推断可能是正确的[60]。

研究人员对物种的基因序列进行分析，得出了鸭茅的遗传进化图谱。目前，已构建的鸭茅遗传进化连锁图谱共有四张，分别为二倍体鸭茅遗传连锁图谱、同源四倍体鸭茅的SSR遗传连锁图谱、四倍体鸭茅高密度遗传连锁图谱及用SNP标记的高密度四倍体鸭茅图谱[61-64]。遗传图谱上显示了鸭茅各亚种之间的亲缘进化关系，但也有部分的亚种亲缘关系可能存在偏差，因此利用鸭茅叶绿体rbcL，matK，trnL-F，ndnF，rps16等序列，测试了鸭茅的四个不同亚种共40个材料，通过Asp(GUC)-Thr(GGU)基因区间发现其中subsp.hispanica，subsp.glomerata和subsp.woronowii与另一个鸭茅测试亚种相比关系更近，而通过rps16 基因发现subsp.glomerata,subsp.lusitanica和subsp.woronowii关系更近[65]。

已有的数据显示，二倍体鸭茅原始种主要分布在西亚地区。其原始种分化迁移到西班牙，进而形成了subsp.lusitabica，subsp.izcoi，subsp.juncinella和subsp.ibizensis亚种[66-67]。而欧洲类型的鸭茅亚种则在迁移至北非再到中国的过程中，逐渐分化形成subsp.aschersoniana，subsp.santai，subsp.castellata，subsp.smithii，subsp.sinensis，subsp.woronowii和subsp.mairei[68]。Sahuquillo和Lumaret[69]利用叶绿体分子标记为四倍体鸭茅的这一迁移过程提供了依据。Stewart[56]则利用ITS序列对鸭茅的起源和进化进行了分析，发现可以将鸭茅的进化枝分为三个主要群体：欧洲和北非的进化枝(subsp.aschersoniana，subsp.woronowii，subsp.smithii，subsp.santai，subsp.castellata和subsp.mairei)、西欧的伊比利亚分枝(subsp.ibizensis，subsp.lusitanica，subsp.juncinella和subsp.izcoi)以及西亚地区分枝(subsp.Judaica，subsp.parthiana，subsp.himalayensis)。

5 总结与展望

鸭茅是畜牧业发展和草地改良的重要资源，具有非常重要的栽培地位。随着科学技术的快速发展，国内外对于鸭茅地理分布、形态特征分类、遗传多样性分析及系统发育分析等方面的研究取得了很大的进步，但就目前研究现状而言，针对于鸭茅的起源及分类上还存在着一些问题需进一步探讨。

(1)二倍体鸭茅比四倍体鸭茅的分布窄，且易受环境因素的影响。随着全球气候变化、草地退化和种间基因漂移等原因，二倍体鸭茅的生存及形态特征发生较大的改变，依据传统的形态学分类方法对其进行分类，无法确定其准确性。分子标记技术的产生，从分子层面出发，在一定程度上解决了由形态特征相似的物种分类带来的困难，但其在鸭茅应用上还较少，需依托于物种基因组信息。随着新一代高通量测序技术的发展加上鸭茅全基因组测序的完成，将为进一步应用分子标记技术深入研究鸭茅提供了重要的基础支撑。

(2)目前虽然对鸭茅起源及系统发育分析的研究很多，但是基于细胞核和叶绿体基因的系统发育分析较少。核基因和叶绿体基因的准确性较基于形态分类、分子标记分类方法来说，不易受其他因素的影响。利用其对鸭茅原始种和进化历程进行推测，建立一个完整的系统发育树和网状进化树，将是一项重要的研究内容，对于鸭茅优质资源的保护及利用具有重要的意义。