基于功能基因MADS1、MOC1和TB1的竹类植物分子系统学研究

摘要

竹类植物是重要的经济作物，属禾本科竹亚科，主要分布在亚洲、拉丁美洲和非洲的热带、亚热带地区，少数分布于温带至亚寒带地区。亚洲(尤其是中国)是世界竹类植物的分布中心，无论是种属数量、分布面积还是产值都是世界上最多的。竹子在我国国民经济中具有重要的地位。但是由于受物种的特殊性限制，自今对竹类植物的系统进化与分类研究仍存在较多分歧和困惑的问题。 本研究采用PCR扩增的方法从16属42种竹类植物中扩增到了MADS1、MOC1(MONOCULM1)和TB1(teosinte branchedl)部分基因序列，并对这些序列进行了详尽的序列分析与分子进化分析，着重探讨了它们在竹类植物系统进化与分类中的应用。通过分析，得出以下主要结论： 1．对竹类植物MADS1、MOC1和TB1基因的序列特征进行了详细分析，认为这些基因都是竹类植物中正常表达的功能基因，可能在竹类植物开花诱导和分枝等的形成过程中发挥作用。G+C含量与不同同义密码子位置的G+C含量分析表明，MOC1基因的G+C含量是最高的，为72％左右；TB1基因次之，为64％左右；MADS1编码区最低，为48％左右。这些编码基因的G+C含量与密码子偏性成正相关，但可能与其系统进化没有直接关系。 2．对竹类植物MADS1、MOC1和TB1基因的系统进化分析表明，可以明显地将竹类植物划分为3个不同的单源群，但并不与现有竹类植物分类系统中丛生、散生和混生这3种类型一一对应，而是散生竹与混生竹混杂排列，丛生竹则明显地形成一个单源群。对现有分类系统的观点有支持的地方，也有不同的地方。进一步对不同基因(MADS1、MOC1和TB1)的系统进化作了比较，发现MOC1基因的系统进化分析结果对现有分类体系的支持最多，MADS1基因次之，而TB1基因可能不适用于竹类植物的系统进化与分类分析。对同一基因的不同区域(MADS1基因的编码区与内含子Ⅶ)的对比分析表明，基于MADS1基因的编码区构建的系统进化树与不考虑长度变异的内含子Ⅶ的系统进化分析结果是相似的。我们试图将分子进化的结果与竹类植物形态结构特征的联系，但发现两者之间并不显著相关。 3．对竹类植物MADS1基因的内含子Ⅶ的长度多态性进行了详细分析并据此对MADS1基因和竹类植物的系统进化作出推断，将所取竹类植物样品依据其内含子Ⅶ长度的不同分成了7组，并对每种长度的内含子Ⅶ的系统进化关系进行了推断，与内含子Ⅶ系统进化分析的结果进行比较，认为内含子长度变异分析对竹类植物系统进化研究是非常有效的。将内含子Ⅶ长度变异结果与系统树进行对比分析，将有助于解决目前困扰竹子系统进化与分类研究的难题。 4．根据上面的分析结果，对竹类植物的系统进化提出了新的看法：(1)竹类植物是单系起源的植物类群；(2)丛生(合轴或称粗型)竹不一定是竹类植物中最原始的类群；(3)青篱竹属复合属是多起源的。(4)现分类系统中刚竹属竹种可能是多起源。 5．同时对竹类植物分类系统提出新的看法：(1)在目前生殖体特征仍不完全的情况下，以地下茎为基础建立竹子分类系统或对现有分类系统进行修订是合理的，需要对地下茎进行更为详尽的研究并辅以地上秆的高度等方面的信息；(2)青篱竹属复合群中的现有划分方法可依据分子进化研究的结果作适当调整，如可依据MOC1分析的结果划分为低矮灌木、较高灌木和乔木3种类型。(3)建议在竹类植物分类中采用数学分析方法区分地下茎、秆高、分枝等呈连续变异的性状。

目录

文摘

英文文摘

第一章竹类植物分类与系统进化研究现状

1.前言

2.竹类植物分类与进化研究历史与现状

2.1中国竹类植物研究的历史

2.2用于竹类植物分类的依据与分类系统

2.3中国竹类植物分类研究的现状与存在的问题

2.4竹类植物的分子进化研究

3.序列分析与分子进化研究进展

3.1分子进化的产生与理论

3.2系统树构建方法

3.3中性分析的方法

3.4内含子分子进化分析研究进展

4.MADS-box相关综述

4.1 MADS-box基因家族

4.2竹子MADS-box基因的克隆

5.TB1(teosinte branched 1)基因研究现状

6.MOC1基因研究现状

6.1侧芽分生组织形成机理与相关基因的克隆

6.2MOC1基因在竹类植物中的克隆与意义

7.论文的选题依据与研究的主要内容

7.1论文的选题

7.2论文的主要内容

第二章材料与方法

1.竹种的选取与DNA样品制备

1.1竹种取样

1.2竹子基因组DNA提取

2序列扩增、克隆方法

2.1 MADS1、MOC1和TB1的PCR引物设计与合成

2.2 PCR扩增与回收

2.3 TA克隆

2.4感受态细胞制备与大肠杆菌转化

2.5测序

3序列分析方法

3.1测序列结果读出

3.2密码子使用偏性分析

3.3序列比对

3.4中性分析

3.5系统树构建

第三章结果与分析

1.竹类植物MADS1、MOC1和TB1基因的获取

1.1 PCR扩增与连接转化

1.2竹类植物MADS1基因的初步分析

1.3竹类植物MOC1基因的初步分析

1.4竹类植物TB1基因的初步序列分析

2.竹类植物MADS1、MOC1和TB1基因的序列特征分析

2.1 G+C含量

2.2密码子偏性

2.3 DNA序列变异性

2.4 DNA多态性分析

3.竹类植物MADS1、MOC1和TB1基因的中性检验

3.1 Tajima's D检验和Fu and Li's D*检验

3.2 dN/dS(或Ka/Ks)检验

3.3 HKA分析

4.竹类植物MADS1、MOC1和TB1基因的系统进化分析

4.1竹类植物MADS1编码区与禾本科内近缘物种之间的关系

4.2对所有取样竹种的系统进化分析

4.3对青篱竹属复合群竹种间的亲缘关系的分析

5.竹类植物MADS1基因的长度多态性与系统进化

5.1不同长度的内含子Ⅶ的indels分布

5.2不同长度的内含子Ⅶ之间的系统关系

5.3竹类植物MADS1内含子Ⅶ的可能的进化过程

第四章讨论

1.对竹类植物MADS1、MOC1和TB1是功能基因

2.G+C含量、密码子偏性与竹类植物分类

3.对中性检验的讨论

4.竹类植物的系统进化问题

4.1竹类植物是单系起源的

4.2竹类植物不同类群的进化可能是不平衡的

4.3丛生竹类不一定是最原始的类群

4.4青篱竹属复合群不是单系起源的

4.5刚竹属竹种可能不是单系起源的

4.6非编码序列长度多态性与竹类植物系统进化

5.对竹类植物分类改进与修订的讨论

5.1分子进化信息在竹类植物进化与分类研究中的应用

5.2据竹类植物MADS1、MOC1和TB1的结果对现有属的看法

6.MADS1、MOC1和TB1与竹类植物系统进化与分类

7.根据本研究的结果对竹类植物不同分类依据的评价

7.1以地下茎作为分类的依据是可靠的

7.2秆分枝类型作为分属依据有待进一步证实

7.3秆高和径粗可作为分类依据之一

7.4基因与性状之间的联系与竹类植物分类

7.5竹类植物系统进化和分类研究中应当引入数学分析方法

第五章结论

附件

参考文献

致 谢