云杉属分子系统学和生物地理学的研究

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1、摘要云杉属植物是非常重要的森林树种，广泛分布于北半球的寒温带、温带高山和亚高山地带。该属为松科中仅次于松属和冷杉属的第三大属，约有28．56种。自云杉属建立以来，其属于松科没有任何疑议。然而，由于云杉属物种问频繁杂交、形态趋同和取样困难，尽管已经有基于形态学、细胞学、化学成份、叶绿体DNARFLP等方面的研究，该属的属下分类仍然存在诸多争议。本文利用父系遗传的叶绿体基因和母系遗传的线粒体基因序列重建了云杉属的系统发育关系，探讨了云杉属生物地理格局的形成过程。在此基础上，我们研究了低拷贝核CAD基因在云杉

2、属的进化式样。另外，我们还对裸子植物线粒体基因rps3的内含子分布和进化进行了初步研究。1．云杉属的系统发育和生物地理学研究我们选择了Farjon(1990)确定的34个种中的33种(另一个种在FloraofChina未得到承认)，共103个个体，对这些个体的叶绿体DNA片段trnC．trnD和trnT-trnF以及线粒体基因nad5的第一个内含子进行了序列测定。在两个叶绿体基因片段联合分析构建的系统发育树上，北美西部的Pbreweriana和P．sitchensis位于最基部。其余的物种分为三支：第一

3、支由北美的两个物种组成；第二支包括分布于喜马拉雅．横断山区及其周围地区的八个种、台湾的P．morrisonicola、西亚的P．orientalis、日本的两个种及北美的P．chihuahuana；第三支中，北美的尸．pungens位于基部，亚洲东北部的种(除Pmaximowiczii和P．torano外)、P．retroflexa和欧洲的P．abies构成一个单系群，并与北美的P．mariana和P．rubens及来自巴尔干半岛的P．omorika形成姐妹支。所有样品的nad5第一个内含子序列可分为A

4、、B、C、D和E5种单倍型，北美的物种拥有前4种，而且A、B和C单倍型为北美所特有；欧亚的物种仅含D和E两种单倍型。上述结果结合MacClade和DIVA分析及化石证据，我们推断云杉属起源于北美，至少两次经白令陆桥扩散至亚洲，然后从亚洲扩散至欧洲。亚洲东北部的绝大多数物种和欧洲云杉P．abies的种间遗传变异非常低，而且线粒体单倍型均为D，可能来源于一次近期的辐射分化。云杉属的现代分布中心之一喜云杉属的分子系统学与生物地理学研究马拉雅一横断山区的物种可能不是一次起源，日本的物种同样如此，这可能与第三纪气

5、候变冷和第四纪冰川导致的物种迁移有关。此外，我们发现目前用于云杉属分类的一些形态性状(如叶扁平、菱形等)在系统发育树上位于不同的位置，说明这些性状可能不是一次起源或是祖征在不同支系中的保留，用于云杉属的系统划分须慎重。2．云杉属CAD基因的进化研究裸子植物的多倍体特别少，且以基因组庞大而著称。被子植物中的很多单拷贝基因在裸子植物中以低拷贝或多拷贝基因家族的方式存在。CAD基因在木质素单体合成的最后一步起作用，在松属中只发现了一种CAD基因拷贝，在欧洲云杉中却发现了三种拷贝，而且Southern杂交和子代

6、分离鉴定结果表明这三种拷贝至少位于两个位点上。然而，对云杉属三个物种(包括欧洲云杉)构建的遗传图谱却都只发现了一个CAD基因位点。由于云杉属CAD基因的数目和分布存在很大争议，我们根据构建的叶绿体基因树，选择了不同支上的20个物种、29个样品研究该基因的进化式样。结果表明：云杉属不同物种中CAD基因的拷贝数为1．4种，多数为2．3种。系统发育分析发现有些物种的所有CAD基因拷贝聚成一支，另有一些物种的CAD基因拷贝位于不同位置。此外，我们对GenBank中云杉属三个物种CAD基因的EST序列分析后发现：

7、EST序列的差异主要发生在3'-UTR区，表现为序列长短的不同，这有可能是进行体外反转录时引物结合于不同的位置所致。因此，结合前人研究(包括遗传图谱分析)，我们推测CAD基因在云杉属内发生了多次重复，重复拷贝很可能呈串联排列。3．裸子植物线粒体基因rps3的进化研究线粒体基因内含子的获得／丢失已经被广泛应用于系统发育研究。rps3为分布最广的线粒体核糖体蛋白基因，一般含一个内含子，前人研究显示其在裸子植物中多了一个第二类内含子rps3i2，并将这个内含子作为区分裸子植物和其它植物类群的标志之一。然而，该

8、研究只选择了苏铁和银杏作为裸子植物的代表，取样代表性不足。在本研究中，我们对裸子植物每个科至少选择一个物种作为代表，通过DNA序列和部分物种的RT-PCR分析，探讨rps3基因在裸子植物中的进化。结果表明rps3基因内含子的分布与裸子植物系统发育关系相Ⅱ摘要吻合：ConiferII、松科的落叶松属和黄杉属及百岁兰科不仅不含rps3i2，而且丢失了第一个内含子；金钱松属缺失第二个内含子。我们推断在ConiferII的祖先和百岁兰科中分别一次性