DNA条形码在不同地理分布的云杉属物种中的应用初探

摘要

松科云杉属植物是重要的森林树种，具有非常重要的经济及生态价值。共34个物种，主要分布在北半球的寒温带、温带高山和亚高山地带，其中8种分布在北美，2种分布于欧洲，其余24 种为亚洲分布。
　　 云杉属的研究已有200多年的历史，涉及形态、解剖、生物化学、核型、同工酶、RFLP、RAPD等方法，但由于云杉属物种形态趋同、杂交频繁，云杉属内物种关系，尤其是欧亚分布物种间关系仍未得到很好解决，野外采集及室内标本鉴定较为困难。
　　 DNA条形码的兴起与发展，为云杉属的研究提供了新的方法与视角。在云杉属中寻找适合作为DNA条形码的片段，可以为云杉属属内种的划分提供一些参考，为云杉属的正确引种、栽培、用材等提供切实可靠的依据。本文对国际推荐的七个叶绿体DNA片段atpF-H、matK、trnH-psbA、psbK-I、rbcL、rpoB、rpoC1在云杉属中的应用进行评价，并另外筛选了两个基因间区petA-psbJ和trnS-fM，以探讨利用DNA条形码来鉴定云杉属物种，乃至裸子植物的可行性，并揭示DNA条形码在裸子植物鉴定过程中存在的问题。
　　 结果显示，rpoC1基因序列峰图中出现严重套峰现象，并且变异率非常低，因此未对rpoC1进行分析。国际推荐的另外六个DNA片段中，matK长度适中，鉴定能力最强（35.7％）；psbK-I核苷酸多态性最高，产生的单倍型种类也最多，但因种内变异较大，鉴定能力次于matK（25％）；trnH-psbA的鉴定能力与psbK-I相当；atpF-H比psbK-I稍差（21.4％）；rbcL及rpoB最为保守，鉴定能力较低（分别为14.3％和17.9％）。
　　 筛选的两个叶绿体基因间区中，petA-psbJ的鉴定能力高于其他任一DNA片段（57.1％），trnS-fM则与atpF-H相当（21.4％）。
　　 两片段组合中，trnH-psbA+psbK-I在国际推荐的片段中鉴定能力最高（50％），其次是matK+trnH-psbA、matK+psbK-I及atpF-H+psbK-I（46.4％），而生命条形码联盟植物工作组推荐的matK+rbcL只有42.9％的鉴定能力。三片段组合中，atpF-H+psbK-I+trnH-psbA鉴定能力最强（60.7％）；四片段组合、六片段组合的鉴定能力均为64.3％。
　　 而petA-psbJ+trnS-fM、petA-psbJ+matK 两片段组合的鉴定能力高达71.4％，与所有八个片段组合的鉴定能力相当。因petA-psbJ和trnS-fM序列中出现poly结构，需两端测序，一定程度上影响了其作为DNA 条形码的可行性，但这两个片段对云杉属物种的鉴定能力较高，尤其是petA-psbJ基因间区。建议matK、petA-psbJ两个DNA片段可以作为云杉属叶绿体基因组的候选条形码。
　　 北美分布物种鉴定结果比欧亚分布物种要好。北美分布的八个物种在两片段组合时已经达到100％的鉴定，而欧亚分布物种鉴定率较低，在所有片段组合中仍有40％的物种鉴定失败。说明北美物种划分合理，物种成立，也可能与本文多个物种采样较少有关。欧亚分布物种始终有8种鉴定失败，有以下几种可能解释：
　　 (1) 叶绿体基因组鉴定能力有限
　　 在petA-psbJ+matK和petA-psbJ+trnS-fM两种两片段组合中物种分辨率已达到所有组合中最大值，在此基础上增加其他任何片段都不能进一步改善物种鉴定结果，可能使用叶绿体基因组鉴定云杉属物种，同其他植物类群的研究一样存在上限。
　　 (2) 研究材料的采样策略
　　 研究类群的采样策略对DNA 条形码的鉴定能力有明显影响。理想的DNA 条形码的采样策略应该具有来自不同居群的5个个体，本文的研究材料有12个物种只有一个个体代表，在完善采样后，分辨率可能会有所改变。
　　 (3) 云杉属内杂交现象
　　 频繁云杉属物种间杂交现象频繁，属内近缘的物种之间可以很容易地进行杂交，如Liet al.(2010)推测P.purpurea 可能是P.wilsonii 与P.schrenkiana-P.likiangensis 组的杂交物种，导致P.purpurea 与P.wilsonii 共享细胞质基因单倍型，在叶绿体基因组分析中两物种得不到分辨。
　　 (4) 近期适应性辐射
　　 喜马拉雅－横断山区分布的云杉属物种P.likiangensis、P.Farrer I、P.spinulosa、P.smithiana、P.schrenkiana 可能由近期适应性辐射分化产生，又由于喜马拉雅-横断山区丰富多样的地理生态环境及特殊的“岛屿式”生境，使得这些物种在形态和适应性上出现明显的差异，又没有时间积累足够的遗传变异。
　　 (5) 物种太小
　　 亚洲东北部的P.asperata 物种组的五个物种P.asperata、P.crassifolia、P.obovata、P.meyeri、P.koraiensis，及欧洲分布的P.abies、日本的P.Koyamae 形态上非常相似，在叶绿体基因的树图上也聚为一支得不到分辨，可能物种划分太小，在将来云杉属DNA 条形码的研究中有必要对这些形态相似的物种进行分类学上的修订。