初探低拷贝核基因在低等分类阶元系统发育重建中的适用性——以十字花科为例

摘要

分子系统学已被广泛用于解决物种之间的亲缘关系。经过二十年的发展，被子植物的系统关系研究已经取得了长足的发展，被子植物系统分类体系APGⅢ得以建立，但被子植物的系统关系却并没有得到彻底的解决:被子植物中最早分化的物种还没有确定，单子叶植物、真双子叶植物、蔷薇类植物和菊类植物4个分类系统的关系还不确定。迄今为止，被子植物分子系统学大都采用叶绿体和线粒体基因，它们大都采用母系遗传，不能完全记录物种的进化历史。而且这两类基因相对保守，可用于系统发育重建的信息有限，很难用来解决科以下类群之间的亲缘关系。
　　随着研究的不断深入，利用低拷贝核基因作为分子系统学的基因标记显得更加高效。核基因属于双亲遗传并能提供大量信息位点，另外，低拷贝核基因在物种基因组中拷贝数极低，只在物种分化时才发生分离，这真实反映了物种的进化历史。本文以十字花科为例，从17种十字花科植物中得到了5个编码蛋白的单拷贝核基因序列(MCM5，MLH1，AT3G54630，AT3G26730和AT2G47990)，采用最大简约法、最大似然法和贝叶斯法重建它们之间的亲缘关系。另外，我们还从网上数据库得到了3个已用于被子植物系统分类研究的基因序列（MatK，ITS和rbcL），采用相同的方法重建了17种十字花科的亲缘关系，通过比较来证明低拷贝核基因在系统分类上的高效性。
　　结果表明，在5个核基因中，MCM5的总长度为704bp，提供的信息位点数为139个，占到整个序列长度的19.7％。MLH1的总长度为1695bp，提供的信息位点数为213个，信息位点数占到整个序列长度的12.7％。AT3G26730在842bp的序列长度中提供了179个信息位点，信息位点数占到整个序列长度的21.3％。AT2G47990在717bp的序列中共提供了206个信息位点，占到整个序列长度的28.7％。AT3G54630在1227bp的序列中提供了446个信息位点，信息位点数的百分比更是高达36.3％。5个核基因在长达4585 bp的矩阵中共提供了1201个信息位点，占整个序列的26.2％。在3个已用于研究的基因中，核糖体基因间隔区序列ITS在621bp的序列中提供了158个信息位点，信息位点数占到整个序列长度的25.4％。叶绿体基因Matk在1527bp的序列中共有100个信息位点，只占到整个序列长度的6.5％。叶绿体基因rbcL虽然有1447bp的序列长度，但提供的信息位点数只有42bp，信息位点数只占到整个序列长度的3％。3个已用于研究的基因在3624 bp的联合矩阵中提供了314个信息位点，只占整个序列的8.7％。可以看出，5个核基因可以提供更多可供系统分析的数据。在进行系统分析之前，我们先建立5个核基因同一物种含有多个克隆的单基因树，在5个核基因的单基因树中，同一物种的不同克隆序列聚在一支上，三种方法得到支持率都接近最大值，可以看出这些不同的克隆片段都是在各自物种的同一次基因复制事件中产生的，因此可以将同一物种克隆序列之间的差异位点处理成兼并性位点。
　　在利用5个核基因建立的联合基因树中，利用最大简约法的各分支均得到了100％的自展支持率。各物种之间的关系与现有的研究结果相似，在CladeⅠ中，臭荠和独行菜之间形成姐妹群，碎米荠和蔊菜先组成姐妹群后，再和荠菜聚在一支上，以上关系利用三种方法都为最大值。在CladeⅡ中，4个芸薹族聚在一个分支上并依次形成姐妹群关系，三种方法得到的支持率都接近最大值。
　　我们的研究表明，5个核基因在十字花科系统分类关系上是高效的，可以用来进行科、属及种间的系统发育重建。因此，这5个基因可以用来解决被子植物其它科内的亲缘关系，而且也可以作为DNA条形码研究的有效分子标记。

目录

摘要

一．前言

二．材料与方法

2．1 材料

2．2 RNA提取

2．3 将RNA反转录成cDNA

2．3．1 设计兼并性引物

2．3．2 PCR扩增及测序

2．4 获取目的基因的单一条带

2．4．1 胶回收实验

2．4．2 克隆实验

2．5 外类群选择

2．6 分子系统学常用分子标记序列下载

2．7 数据分析

三．结果

3．1 选取的核基因易于扩增

3．2 同一物种单基因的不同克隆序列可以处理成兼并性位点

3．3 核基因可以提供更多的信息位点

3．4 基于核基因得到了支持率更高的物种关系

3．4．1 分析3个已用于研究基因的单基因树和联合基因树

3．4．2 分析5个核基因的单基因树和联合基因树

四．讨论

参考文献

综述：被子植物分子系统学的研究进展

致谢

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