黃槿的GapC基因家族與分子親緣地理學(xué)研究.pdf

1、黃槿(Hibiscustiliaceus)作為一種熱帶亞熱帶廣布的典型半紅樹(shù)植物，是當(dāng)今世界紅樹(shù)植物兩大分布區(qū)(印度洋—西太平洋區(qū)和大西洋—東太平洋區(qū))中共同擁有的紅樹(shù)植物之一。本研究選取已在居群內(nèi)發(fā)現(xiàn)足夠變異的核基因家族——三磷酸甘油醛脫氫酶基因家族的一個(gè)成員作為分子標(biāo)記，利用親緣地理學(xué)方法，研究全球主要分布區(qū)內(nèi)黃槿居群的遺傳結(jié)構(gòu)、親緣地理格局及其可能成因。 使用核基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育和親緣地理分析時(shí)，要求其最好滿足三個(gè)條件，即：

2、1)該基因在所研究類群或居群中已顯示出足夠的變異(足夠變異)；2)所有比較的序列必須直系同源(直系同源)；3)該基因的進(jìn)化最好符合中性進(jìn)化模式(中性進(jìn)化)。為了找到滿足這些條件的核基因并以其作為黃槿親緣地理學(xué)研究的分子標(biāo)記，我們用EPIC和克隆測(cè)序方法分離了中國(guó)廣州和日本琉球各1個(gè)黃槿樣品的細(xì)胞質(zhì)三磷酸甘油醛脫氫酶基因(GapC)，序列分析和系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明，黃槿的GapC基因是一個(gè)基因家族，至少包含10個(gè)成員。 在用通用引

3、物擴(kuò)增黃槿的GapC基因時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了PCR介導(dǎo)的重組產(chǎn)物和旁系同源物，而這些序列會(huì)干擾進(jìn)化分析，因此，在使用基因家族某一成員進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育和進(jìn)化分析時(shí)，必須注意避免PCR介導(dǎo)的重組和旁系同源物的干擾。PCR介導(dǎo)的重組主要是由擴(kuò)增過(guò)程中的延伸停止造成的，我們發(fā)現(xiàn)黃槿DNA模板二級(jí)結(jié)構(gòu)中明顯的莖環(huán)或發(fā)夾結(jié)構(gòu)與延伸停止密切相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)巢式PCR能夠避免PCR介導(dǎo)的重組。我們采用下列方法來(lái)排除旁系同源物的干擾，即通過(guò)構(gòu)建上述克隆序列的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

4、并根據(jù)樹(shù)的疊印來(lái)尋找直系同源基因，然后設(shè)計(jì)特異性內(nèi)部引物，與EPIC擴(kuò)增引物相結(jié)合，利用巢式PCR擴(kuò)增目的直系同源基因片段，用于后續(xù)研究和分析。 按照上述方法，我們找到了一個(gè)在黃槿居群內(nèi)和居群間均有足夠變異且遵循中性進(jìn)化模式的直系同源基因——GapC基因家族成員GapC4(以下簡(jiǎn)稱GapC)。將這一基因的特異性內(nèi)部引物與通用引物相結(jié)合，對(duì)6個(gè)地理區(qū)域(中國(guó)、日本、中南半島、澳大利亞、斯里蘭卡和美國(guó))8個(gè)國(guó)家31個(gè)黃槿居群共計(jì)34

5、7個(gè)個(gè)體進(jìn)行了巢式PCR擴(kuò)增，結(jié)果檢測(cè)到45個(gè)單倍型，其中20個(gè)為兩個(gè)以上居群所共有，另外的25個(gè)為各居群的獨(dú)有單倍型。為兩個(gè)以上地理區(qū)域所共享的15個(gè)單倍型中，有4個(gè)是廣布的，且其中2個(gè)的頻率都超過(guò)了20％。 6個(gè)地理區(qū)域的黃槿表現(xiàn)出了相似的遺傳多樣性。除了中國(guó)福建和馬來(lái)半島南端外，其他地方的黃槿居群都表現(xiàn)出了很高的遺傳多樣性。中國(guó)福建黃槿居群的極低遺傳多樣性可能是由于分布區(qū)邊緣的奠基者效應(yīng)造成或者由人工無(wú)性繁殖而來(lái)，而馬來(lái)半

6、島南端的低遺傳多樣性可能暗示這些樣品采集地的黃槿居群是由人工無(wú)性繁殖而來(lái)。 AMOVA分析顯示，黃槿居群的FST=0.49389，與已報(bào)道的一百多種近交植物的平均FST值(0.510)相當(dāng)；FIS=0.53218，說(shuō)明雖然在黃槿居群內(nèi)發(fā)現(xiàn)有一些雜合體存在，但相對(duì)于哈迪—溫伯格平衡預(yù)期來(lái)說(shuō)，雜合體還是缺乏，純合體過(guò)多，這與近親繁殖和以近交為主的植物類似。因此，黃槿的交配系統(tǒng)可能是以近交為主的。 基因譜系分析表明，黃槿Gap

7、C單倍型表現(xiàn)出明顯的親緣地理格局。除15個(gè)兩個(gè)以上地理區(qū)域所共有的單倍型外，另外的30個(gè)單倍型都局限于相對(duì)狹小的地理區(qū)域內(nèi)。馬來(lái)半島西海岸與斯里蘭卡的單倍型形成一個(gè)獨(dú)立進(jìn)化枝。部分中國(guó)和日本的單倍型也形成一個(gè)與其他單倍型相距較遠(yuǎn)的獨(dú)立進(jìn)化枝，且韓國(guó)海濱木槿(Hibiscushamabo)與該枝共享一個(gè)頻率很高的單倍型。澳大利亞北部和東北部居群的獨(dú)有單倍型各自形成一個(gè)獨(dú)立進(jìn)化枝。美國(guó)黃槿各單倍型間的關(guān)系也比較近，而且美國(guó)Hibiscusp

8、ernambucensis的單倍型除了與美國(guó)黃槿的一個(gè)獨(dú)有單倍型相對(duì)較近外，與其他所有的單倍型關(guān)系都比較遠(yuǎn)。 Mantel檢驗(yàn)結(jié)果表明，黃槿GapC基因的FST遺傳距離與地理距離的相關(guān)性極低，表明基因流并非總是局限于相鄰的最近居群間。 形成當(dāng)今黃槿的這種親緣地理格局的重要原因可能是：在較早以前，具有明顯多態(tài)性的黃槿祖先擴(kuò)散至各地；之后，由于地理隔離而導(dǎo)致其各自獨(dú)立分化發(fā)展，只有那些地理距離較近且其間沒(méi)有障礙的黃槿居群間的