浙江冬青属植物的系统发育研究文献综述

{title}{title}

浙江冬青属植物的系统发育研究

摘要：冬青属（Ilex L.），是无患子目（Sapindales）冬青科（Aquifoliaceae）中的最大一属，是浙江省乃至长江中下游流域常绿阔叶林的主要伴生树种之一。属下有着丰富的种质资源，多种植物兼具观赏、药用及其他综合利用价值。近年来，分子生物学手段被逐渐应用于冬青属种质资源、遗传分类的研究，该属植物备受关注。文章汇总和归纳了国内外有关分子生物学在冬青属植物物种鉴定和系统进化研究中的应用的文献报道，并对多基因系统发育分析和系统树的构建相关技术进行了介绍，旨在为进一步展开冬青属植物的研究、完成毕业论文提供参考。

关键词：冬青属；系统发育；多基因；分类学

一、文献综述

冬青属（Ilex L.），是无患子目（Sapindales）冬青科（Aquifoliaceae）中的最大一属植物，全世界已发现的植物约有600种，中国有204种，浙江省分布38种1变种^［1］（见表1），是浙江省常绿阔叶林的主要伴生树种之一。由于冬青属植物花的形态在种间较为一致，而叶片形态表现出非常大的差异性，另外，该属植物还存在大量的杂交种，而且在遗传和地理分布上也表现出了高度复杂性，因此该属系统学的研究存在较大困难。但近年来，随着分子系统发育生物学和化学分类学技术的不断发展，冬青属植物的系统学和遗传多样性研究取得了长足发展。

该属植物中很多物种都具有药用价值，有些物种能用于制作代茶饮料，有些物种还具有园艺观赏和制作家具等用途，因而具有较高的经济和药用价值。

表1 浙江冬青属物种及其产地

1系统发育分析^［2］和系统树的构建

系统发育(Phylogeny)，也叫系统发生，是与个体发育相对而言的，它是指某一个类群的形成和发展过程，其研究的是进化关系（起源和演化关系）。系统发育分析(Phylogeneticanalysis)是为了推断（评估）这些进化关系，通过系统发育分析所推断出来的进化关系一般用系统进化树(Phylogenetictree)来描述，即系统发育分析包括了构建、评估和解读进化树（-分子进化的基因树，-物种进化的物种树）的全过程。

系统发育树是用一个树状结构图描述物种之间的进化关系，系统进化树分有根(rooted)和无根(unrooted)树。有根树有一个根节点，代表所有其他节点的共同祖先。有根树能反映进化顺序，而无根树只是说明了节点之间的远近关系，不包含进化方向，只反映分类单元之间的距离而不涉及谁是谁的祖先问题。在很多问题中，往往没有足够的信息来确定进化方向而无法确定进化树的根节点。

系统发育常用的构树方法包括以下2种：

（1）贝叶斯树：贝叶斯方法把参数当成服从某种先验概率分布的随机变量，对样本进行观测的过程，就是把先验概率密度转化成为后验概率密度，使得对于每个新样本，后验概率密度函数在待估参数的真实值附近形成最大尖峰。（2）最大似然树（ML）：最大似然估计将参数看作是确定的量，只是其值是未知。通过最大化所观察的样本概率得到最优的参数一用分析方法。最大似然估计的优点在于，当样本数目增加时，收敛性质会更好；并且比其他可选择的技术更加简单。

在系统发育分析中，最大似然法^［3］（ML）和贝叶斯法^［4］（BI）是对替换模型非常敏感的两种算法，因此利用ML法或BI法重建系统发育树前，核苷酸替换模型的选择是必不可少的过。构建进化树可以通过同源DNA序列来实现，其具体的步骤基本上是先选取生物数据（同源DNA序列）与进化距离模型，然后对不同物种DNA序列进行比对，再应用距离模型和比对结果计算进化距离，最后通过进化距离构建进化树。

2 分子标记在冬青属植物物种鉴定和系统进化研究中的应用

张凤琴等^［5］利用随机扩增多态性DNA标记（Random Amplified Polymorphic DNA，RAPD）技术对22份冬青属苦丁茶植物不同物种的遗传变异进行了研究。40个10-bp的引物用于多态性检测,从中筛选出了27个多态性良好的引物。用该27个引物对上述22份种质材料进行PCR扩增,共得到445条DNA谱带,其中多态性带432条,占97.08%。根据扩增结果计算了各份材料之间的遗传距离,并用UPGMA构建了聚类树状图。RAPD分子标记的结果可作为判断冬青属苦丁茶种质资源材料的起源地域、遗传差异、亲缘关系以及种级水平和种下分类鉴定的重要参考依据。

钱永生等^［6］采用RAPD和扩增片段长度多态性（Amplified Fragment Length Polymorphism，AFLP）技术，对10种冬青属植物的种间遗传多样性进行了研究，以研究该属种间遗传多样性。RAPD和AFLP两种标记系统都能产生各自有效的多态性条带，但多态性水平不相同，经RAPD引物筛选后发现只有少数引物能扩增出理想的多态性带,且每条引物平均扩增出的多态性带数仅为9条，只有通过AFLP图谱的补充分析才可以获得较为理想的效果。而本研究首次在冬青属上采用AFLP银染分析技术，仅用3对引物组，就平均检测到147个多态性位点，这充分证实AFLP技术在冬青属遗传亲缘关系分析中的高效性。

周喜军等^［7］利用简单重复序列间扩增多态性（Inter-Simple Sequence Repeat，ISSR）分子标记技术对36种冬青属植物的种间关系进行了研究，从100条引物中筛选出12条能扩增出清晰带型并具多态性的引物，共扩增出235条DNA片段，相对分子质量主要集中在400～1500bp之间，其中232条片段呈多态性，多态率为98.7%,平均每条引物扩增出19.6条DNA片段；依据扩增结果用UPMGA类平均聚类法进行遗传相似系数分析并构建了系统树。结果表明，36种冬青属植物在遗传相似系数0.64处明显聚为落叶类和常绿类，初步证明了利用ISSR分子标记对冬青属植物进行系统进化和亲缘关系分析的可行性。

为了确认韩国产冬青属植物杂交种I．times;wandoensis是否由I．comute和I．integra两者杂交而来，同时也为解决因外在形态特征连续而引起的分类学问题，SON等^［8］对核糖体DNA的ITS数据进行了分析，个体显示了ITS区域内的基因组内的多形型。实验结果表明，I．comute和I．integra两者均有不连续序列的存在，从而证实了I．times;wandoensis是由I．comute和I．integra两者杂交而来，而根据ITS区数据分析结果，冬青亚属没有出现严格一致的单谱系树特征。

YOUNG等^［9］也对杂种I．times;wandoensis的起源进行了分析，他利用特异性引物对ITS2区域进行了PFLP标记，并对ITS序列进行了分析。结果表明，根据使用HhaⅠ和HaeⅢ限制性酶基础上的RFLP分析和测序，确定了杂种I．times;wandoensis的起源。因此，使用特异引物，对核糖体ITS2区域RFLP分析，可有效用于天然杂交种和基因渗入现象的分析。

TONG^［10］在ITS2序列的基础上建立了岗梅变种和相关的冬青属药用植物的分子鉴定方法，通过使用软件MEGA构建系统发育树，根据扩增的ITS2序列的多序列比对。结果得到254bp的ITS2片段，并发现了不同物种间有85个不同的碱基位点，说明ITS2区域可被用于鉴别冬青属不同物种。

MANEN^［11］以化石记录、地理和时间数据为对照，通过对基于3个不同位点质体(atpB-rbcL基因间隔区，trnL-trnF基因和rbcL序列)与基于2个不同的位点核(核糖体和5SRNA间隔)基础上的冬青属系统发育研究结果进行比较，结果发现，质体系统发育与现有物种的地理分布密切相关，但核系统发育与质体系统发育之间高度不一致，说明这可能是频繁谱系间杂交的结果所致。比较核糖体ITS树和5SRNA间隔树表示可能的血统排序。尤其有趣的是找到两个不同的Ilex质体美国进化枝显示的血统南美不同的生物地理模式。其中一个有一个简单的北美/南美美国生物地理关系。另一个具有复杂的生物地理关系，有些物种显示出直接的亚洲/南美生物地理关系。在其历史上，冬青属可能经历频繁的血统分选和种间杂交，随后发生核或细胞质渗入，其历史的研究非常复杂。

MANEN等^［12］通过2种核分子标记(ITS和nepGS)和3种质体分子标记(rbcL，trnL-F和atpB-rbcL)的分析，探讨了108种冬青属植物的历史和多样性特征。结果发现，核和质体系统发育树间也呈高度不一致的特征，与质体系统发育树相比较，核系统发育树的结果更加符合传统的分类学结果。另外距离较远的谱系间有杂交和基因渗入现象的存在，说明冬青属植物间几无生殖性障碍。

ALESSANDRA等^［13］利用叶绿体psbA-trnH基因间隔、简约法和贝叶斯分析方法对产自南美洲的冬青属植物的系统发育位置进行了研究。结果显示，虽然冬青属内psbA-trnH基因间区进化缓慢。通过结合atpB-rbcL基因间区数据发现，psbA-trnH区现存的间隔区可用于构建冬青属植物的系统发育树。

PHILIPPE^［14］利用叶绿体atpB-rbcL基因间隔区对属于冬青科的115种冬青属植物和山地冬青进行了测序。此外，还获得了47个选定物种rbcL序列。根据实验结果，冬青科可分为4组，每1组各具其地理或生态特点。

3 研究现状及展望

总之，近年来，分子生物学手段在冬青属植物物种鉴定和系统进化研究中的应用非常广泛。国外对冬青属的分子生物学研究主要通过对冬青属质体和核酸序列进行分析，发现叶绿体系统发育树和核酸系统发育树不一致，选用质体系统发育树更符合地理分布；通过 ITS 和 nepGS 两种分子标记和 rbcL，trnL-F 和 atpB.rbc 三种质体分子标记，对108种冬青属植物的演化和遗传多样性进行了研究，结果显示，核酸系统发育树相比质体系统发育树更加符合传统分类方法所得结果；通过较远谱系的基因比对分析，表明冬青属植物可能不存在生殖障碍，并且利用psbA-trnH、atpB-rbcL基因间隔区对冬青属植物进行测序，用简约法和贝叶斯分析方法，发现虽然冬青属内psbA-trnH基因间区进化缓慢，但是通过结合atpB-rbcL基因间区数据发现，psbA-trnH区现存的间隔区可用于构建冬青属植物的系统发育树等。

国内对冬青属的分子生物学研究主要通过随机扩增多态性 DNA 标记（Random Amplified Polymorphic DNA，RAPD）和扩增片段长度多态性（Amplified Fragment Length Polymorphism，AFLP）技术，以及近年来更为普遍的简单重复序列间扩增多态性（Inter-Simple Sequence Repeat，ISSR）技术。RAPD分子标记的结果可作为判断冬青属种质资源材料的起源地域、遗传差异、亲缘关系以及种级水平和种下分类鉴定的重要参考依据，AFLP技术可高效的对冬青属遗传亲缘关系进行分析，ISSR分子标记可以对冬青属植物进行系统进化和亲缘关系分析。

传统分类与分子标记结果、不同分子标记的结果存在差异的原因^［15］：（1）选择的冬青属植物变种、变型、天然杂种类型很多，遗传背景较为复杂。（2）各种分类方法依据的原理不一，所能鉴定出的性状的数量也不一。（3）DNA 水平的变异反映的是种质基因型的变异，基因组DNA不仅包括结构基因、功能基因，还包括一些沉默基因，同时植物物种变异是多方面的，不仅有基因水平、蛋白质水平等的变异，而形态性状表现是基因与环境共同作用的结果，因此两者不存在完全的对应关系。（4）不同分子标记灵敏度不一，以及人为读取差异条带等因素。

作为饮料和药用植物的重要来源，冬青属是一类具有丰富多样性的群体。虽然其物种数目繁多，但由于其分类难度较大，现在系统学研究比较深入的物种数目很少。作为分子系统学研究的重要手段，筛选合适的分子标记是今后的重要内容。目前，NCBI（National Center for Biotechnology Information）数据库中已收录冬青属多个种的序列信息，在此基础上，今后应加强对冬青属植物亲缘进化关系的研究，为冬青属的相关研究提供更多基础资料。

二、查阅中外文献资料目录

[1] 李根有，叶喜阳，李修鹏,浙江植物志·第 5 卷［M］．浙江: 科学技术出版社,2021.2．

[2]张树波,赖剑煌.分子系统发育分析的生物信息学方法[J].计算机科学,2010,37(08):47-51 66.

[3] Felsenstein J. Evolutionary trees from DNA sequences: a maxi-mum likelihood approach[J]. J Mol Evol, 1981,17:368-376

[4] Kidd K K, Sgaramella-Zonta L A. Phylogenetic analysis: com cepts and methods[J]. Am J Hum Genet, 1971,23:235-252

[5] 张凤琴,刘国民,周鹏,等．用RAPD技术探讨冬青属苦丁茶的遗传差异、亲缘关系与分类地［J］．云南植物研究,2004,26( 6) : 637 － 644．

[6] 钱永生,王慧中,施农农,等．10种冬青属植物遗传多样性ＲAPD和AFLPs分析［J］．分子细胞生物学报,2008,41( 1) : 35 － 43．

[7] 周喜军,张冬梅,罗玉兰,等．冬青属植物的ISSR标记分析及其应用［J］．河南农业大学学报,2009,43( 2) : 196 － 200．

[8] SON S W，KIM I H，KIM K J． Molecular evidence for the hybridily of Ilex times; wandoensis and the phylogenetic study of Korean llex pased on ITS sequence data［J］． Genes ＆ Genomjcs，2009，31 ( 1) : 53 － 63．

[9] YOUNG H J，PICTON D，PAＲK J O ，et al． Molecular evidence for the interspecific hybrid origin of Ilex times; wandoensis［J］．Hort． Environ． Biotechnol． ，2011，52( 5) : 516 － 523．

[10] TONG J Y，HUANG Q L，MA X Y，et al． Molecular identification of Ilex asprella var． asprella with other 7 species in the genus Ilex based on ITS2 sequence［J］． Medicinal Plant，2012，3( 3) : 45 － 48．

[11] 徐炳声．中国植物分类学中的物种问题［J］．植物分类学报,1998，36( 5) : 470－480．

[12] MANEN J F，BAＲＲIEＲA G，LOIZEAU P A，et al． The history of extant Ilex species ( Aquifoliaceae) : evidence of hybridiza tion within a Miocene radiation［J］． Mol Phylogenet Evol． ，2010 ，57( 3) : 961 － 977．

[13] ALESSANDＲA S S，SUZANA S C，MANEN J F，et al． New information for Ilex phylogenetics based on the plastid psbA-trnH intergenic spacer ( Aquifoliaceae)

［J］． Botanical Journal of the Linnean Society，2009，159( 1) : 182 － 193．

[14] PHILIPPE C D，MARIA P M，LOIZEAU P A，et al.Molecular phylogeny and biogeography of the genus Ilex L．( Aquifoliaceae)［J］．Annals of Botany，2000，85: 111－122．

[15] 章建红,高云振,张斌,王正加.26种冬青属植物遗传多样性分析[J].西北植物学报,2011,31(03):504-510.

资料编号：[598077]

浙江冬青属植物的系统发育研究

摘要：冬青属（Ilex L.），是无患子目（Sapindales）冬青科（Aquifoliaceae）中的最大一属，是浙江省乃至长江中下游流域常绿阔叶林的主要伴生树种之一。属下有着丰富的种质资源，多种植物兼具观赏、药用及其他综合利用价值。近年来，分子生物学手段被逐渐应用于冬青属种质资源、遗传分类的研究，该属植物备受关注。文章汇总和归纳了国内外有关分子生物学在冬青属植物物种鉴定和系统进化研究中的应用的文献报道，并对多基因系统发育分析和系统树的构建相关技术进行了介绍，旨在为进一步展开冬青属植物的研究、完成毕业论文提供参考。

关键词：冬青属；系统发育；多基因；分类学

一、文献综述

冬青属（Ilex L.），是无患子目（Sapindales）冬青科（Aquifoliaceae）中的最大一属植物，全世界已发现的植物约有600种，中国有204种，浙江省分布38种1变种^［1］（见表1），是浙江省常绿阔叶林的主要伴生树种之一。由于冬青属植物花的形态在种间较为一致，而叶片形态表现出非常大的差异性，另外，该属植物还存在大量的杂交种，而且在遗传和地理分布上也表现出了高度复杂性，因此该属系统学的研究存在较大困难。但近年来，随着分子系统发育生物学和化学分类学技术的不断发展，冬青属植物的系统学和遗传多样性研究取得了长足发展。

该属植物中很多物种都具有药用价值，有些物种能用于制作代茶饮料，有些物种还具有园艺观赏和制作家具等用途，因而具有较高的经济和药用价值。

表1 浙江冬青属物种及其产地

您可能感兴趣的文章

• 新课标视角下高中生物教学中科学探究能力的培养研究文献综述
• 2013版初中生物（八年级）三种教材的比较研究文献综述
• 高中生物教材版本内容及比较文献综述
• 日本血吸虫病抗体检测的荧光试纸条研发文献综述
• 浙江冬青属植物的系统发育研究文献综述
• 大盘山榧大孢子的发生与发育文献综述
• 丙酮酸激酶基因调控异色瓢虫海藻糖代谢文献综述
• 抗革兰阳性耐药菌化合物筛选文献综述
• 117-21处方工艺研究文献综述
• BALB/c小鼠1型糖尿病模型的构建与新型肽的药效初步评估文献综述