木兰叶绿体atpB和rbcL基因的系统进化分析

赵晶华，贾 倩，金洪涛，盛彦敏

(长春师范大学生命科学学院，吉林长春 130032)

木兰叶绿体atpB和rbcL基因的系统进化分析

赵晶华，贾 倩，金洪涛，盛彦敏

(长春师范大学生命科学学院，吉林长春 130032)

木兰科植物作为古老的类群，其杂交和形态多样以及趋同进化等特点导致传统分类出现很多不同结论。对生物类群进行种群的系统进化分析可以在一定程度上弥补传统分类方法的局限。叶绿体的母系遗传相对保守、分子水平差异明显，是绿色植物的标志性细胞器，因此叶绿体基因组常被用来进行植物的系统进化探究。本项研究利用phylip软件将NCBI核酸序列数据库中下载的21种木兰科植物叶绿体的atpB 和rbcL基因序列760bp进行序列比对处理之后，进一步应用邻接法进行分子进化系统发生分析，构建系统发育进化树，从而得出木兰属中白玉兰、星花玉兰、锐叶木兰、北美大叶木兰、夜香木兰等在系统进化中的亲缘关系，为进一步对木兰属植物进行系统发生研究奠定基础。

木兰；叶绿体基因；系统发育

木兰科植物很早就被作为绿化观赏树种和重要的药用植物，一些主要的物种如厚朴、玉兰等的树皮，木莲等的果实，紫玉兰、华中玉兰等的花均可药用[1]。木兰科植物具有较为原始的性状特征，因而在某些分类系统中被归为原始、古老的植物类群，并常作为被子植物起源与早期演化的关键类群被关注[2]。

木兰属植物在东亚-北美大陆之间的广泛区域间断分布。在我国主要分布于大别山区、大巴山区、神农架山区等地区。已有研究显示，分布区不同种间存在杂交和形态多变等特征现象，给该科属植物的分类鉴定带来一定的困难。目前，普遍认同的木兰科植物有15属，260多种[2]。

分类学专家对于木兰科的系统进化及亲缘关系的认识，一直存在一些争论，尤其是对除鹅掌楸属外的木兰属与其它属的分类界限争议不断，关于含笑、木莲等植物同木兰属的亲缘关系的研究分析也较多。有学者提出，将形态学、遗传学以及分子生物学等分析技术相结合, 才能更深入、更有效地了解植物的遗传多样性及遗传变异和分类进化地位[3]。此外，木兰属植物的系统进化研究对于物种鉴定、濒危物种的保护以及中药学的发展也都具有一定的意义。

1 材料与方法

1.1 基因序列

NCBI数据库现有的木兰科植物叶绿体atpB 和rbcL基因相关资料。

选取原始、古老、背景清晰的木兰科植物作为本研究的对象，在NCBI数据库(http:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/11625)中下载得到各代表物种atpB 和rbcL基因的部分序列，并以杉木作为远缘参考物种(表1)。

表1 样本植物的信息

1.2 序列处理

应用Lasergene 7软件对下载序列进行分析处理，并在MegAlign中进行序列比对。

1.3 系统进化树绘制

使用phylip-3.695软件将筛选后的木兰科植物叶绿体atpB 和rbcL基因序列进行分子进化系统发生分析，绘制发育树。

首先在CLUSSTALX中进行全序列比对；然后应用PUZZLE32计算核酸替换率ts/tv的数值。最后，在phylip软件包中，依次做SEQBOOT、DNADIST、NEIGHBOR计算和CONSENSE检验，以邻接法构建距离进化树，结果在TREEVIEW软件中观察并存储为图片格式。

2 结果

2.1 样本基因MegAlign分析比对

MegAlign分析结果显示，在木兰科植物叶绿体atpB 和rbcL基因分析序列的470bp～480bp以及610bp～620bp两个区间存在高变区，各物种基因序列变异比较丰富。

2.2 系统发育进化树绘制

应用phylip软件将NCBI核酸序列数据库下载的木兰科植物叶绿体atpB and rbcL基因序列760bp进行分子进化系统发生分析，所得距离进化树结果如图2所示。

图2 木兰科植物部分物种的系统发生树

3 讨论

白玉兰(AB021067)的atpB and rbcL基因与星花玉兰(AB021070)和锐叶木兰(AB021071)等叶绿体基因的亲缘关系最近，与紫玉兰(X69746)一起构成一个小的系统分支；北美大叶木兰(AB021057)的atpB and rbcL基因竟然与杉木(AJ390816)亲缘关系最近，从属于日本天女木兰(AB021063)构成的分支。以上两个分支发生于墨西哥大叶玉兰(AB055580)组成的一大分支，其上一级是日本厚朴(AB021059)。

日本厚朴(AB021059)与夜香木兰(AB021064)分支，包括山玉兰(AB021065)、大叶木兰(AY008966)等在进化上都从属于西康玉兰(AB055576)，共同组成该科植物大的进化分支。

含笑属植物含笑(AB021075)、台湾含笑(AB021074)等在进化上的出现早于木兰属，而落叶木莲属的进化地位又早于含笑属。值得注意的是大果木莲(AY008961)与落叶木莲(AB055583)及本科其它属植物的进化关系都比较远，推测其进化地位较原始，其叶绿体基因类型也比较古老。

木莲属和含笑属均为相对一致的类群，木兰则属于一个多系起源的趋同演化类群；玉兰亚属与木兰属的亲缘关系较远，却与含笑属的亲缘关系较近。不同产地居群个体受地理因素的影响，因而个体之间的遗传差异性较大，遗传多样性比较高。上述结果也与其他学者的分析结论基本一致[2-5]。

4 结论

本项研究将21种木兰科植物叶绿体的atpB and rbcL基因序列比对处理后，用邻接法(NJ)进行系统进化分析，通过重建系统发育进化树成功地得出木兰属白玉兰、星花玉兰、锐叶木兰等不同种玉兰品种在系统进化中的亲缘关系，更进一步得出了木兰科不同属物种(如木兰属、含笑属等)在系统进化中的系统进化顺序及亲缘关系。

随着叶绿体基因组的系统发育基因组学研究的深入，它在系统发育进化研究中的优势显露无疑[6]；但在叶绿体系统发育基因组学中，对于因取样不全和其它原因等带来的假象，应当小心判断，进而通过不同的取样策略和研究方法[7]，将不良影响消除或降到最低。

[1]刘玉壶.木兰科分类系统的初步研究[J].植物分类学报,1984,22(2):89-109.

[2]司马永康,陆树刚,韩明跃,等.木兰科系统分类学研究动态[J].西部林业科学,2012,41(1):116-127.

[3]林小涵.银杏和木兰属植物的转录组、叶绿体基因组及其相关研究[J].药用植物研究所,2011,5(1):42-45.

[4]王亚玲,李勇,张寿洲,等.用matK序列分析探讨木兰属植物的系统发育关系[J].植物分类学报,2006,44(2):135-147.

[5]郑艳冰,沙伟,汪楣芝.金发藓目系统学研究概况[J].齐齐哈尔大学学报,2005,12(4):71-80 .

[6]张韵洁,李德铢.叶绿体系统发育基因组学的研究进展[J].植物分类与资源学报,2011,33(4):365-375.

[7]Shinozaki k,Ohme M,Tanka M,et al.Structre and organization of Marchantia polymorpha chloroplast genome:its gene organization and expression[J].The EMBO Jourmal,1986,5(9):2041-2029.

Evolution Analysis of the Chloroplast Genes atpB and rbcL of Magnolia

ZHAO Jing-hua, JIA Qian, JIN Hong-tao, SHENG Yan-min

(Life Science School of Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

Magnoliaceae plants are ancient plant groups. Due to the hybridization, diversity of morphology, and convergent evolution, many different conclusions of the classical classification were emerged. Phylogenetic analysis of species on biological groups could compensate for the limitations of classical classification. The matrilineal genetic of chloroplast is relatively conservative, and it has significant differences at molecular level. Chloroplast is iconic green plant organelles, and the chloroplast genome is commonly used in phylogenetic analysis. In this study, phylip software was used for the sequence alignment on 760bp of genes atpB and rbcL of 21species of the Magnolia chloroplast, which were downloaded from the International Nucleotide Sequence Databank. The neighbor-Joining method was used for molecular and phylogenetic analysis and reconstruction of a phylogenetic tree，and the genetic relationships in phyletic evolution among Magnolia denudate, Magnolia stellata, Magnolia acumirata, Section macrophylla, and Magnolia coco were gotted. It could lay the foundation for phylogenetic study on Magnolia.

Magnolia; chloroplast genes; phylogeny

2014-06-28

赵晶华(1984- )，女，吉林长春人，长春师范大学生命科学学院实习研究员，从事分子生物学研究。

盛彦敏(1964- )，女，吉林洮南人，教授，博士，从事生物化学与分子生物学研究。

Q949.747

A

2095-7602(2014)06-0071-04