基于ITS和cpDNA序列的中国野生葡萄分子系统进化  

张永辉 , 樊秀彩 , 张颖 , 孙海生 , 姜建福 , 刘崇怀
中国农业科学院郑州果树研究所, 郑州, 450009
作者    通讯作者
《分子植物育种》网络版, 2011 年, 第 9 卷, 第 78 篇   doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0078
收稿日期: 2011年05月16日    接受日期: 2011年06月13日    发表日期: 2011年06月22日
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张永辉等, 2011, 基于ITS和cpDNA序列的中国野生葡萄分子系统进化, 分子植物育种 Vol.9 No.78 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0078)

摘要

我国是葡萄属植物的主要起源地之一,也是世界葡萄属植物种类最多,遗传资源最为丰富的国家之一。迄今为止,已知起源于我国的葡萄属植物共有38个种1个亚种和7个变种。如此丰富多彩的葡萄属种质资源不仅对葡萄科学的发展有重大意义,也是阐明世界葡萄起源、演化和生物多样性必不可少的重要证据。利用核糖体转录间隔区(ITS)和3个叶绿体DNA (cpDNA)序列(atpF-atpHtrnH-psbAtrnL-trnF)对16个中国葡萄野生种、变种及其近缘植物的22份材料的亲缘关系和分子系统进化进行研究。以圆叶葡萄为外类群,首次利用ITS和cpDNA序列构建了中国野生葡萄的分子系统发育树。叶绿体DNA序列构建的系统发育树显示,22份材料之间的亲缘关系与其在不同大陆间的地理分布一致;ITS构建的系统发育树显示,22份材料的30个克隆可分成2个主要分枝,其中分枝E又可分为4个亚分枝,由于多重核糖体DNA序列等因素影响,ITS树存在塌陷,ITS系统进化树结果较为复杂,仅能部分揭示22份材料之间的亲缘关系;综合分析cpDNA序列和ITS序列的聚类结果,初步推断‘燕山葡萄0947’为母本为中国野生葡萄的一个种,父本为河岸葡萄的种间杂种;初步推断桑叶葡萄为一个独立的中国葡萄野生种。

关键词
中国野生葡萄;核糖体转录间隔区;叶绿体DNA序列;亲缘关系

我国是世界葡萄属(Vitis L.)植物种质资源最丰富的国家,原产的葡萄属植物有38个种、1亚种和7个变种,尚不确定或有争议的疑问种或变种有14个(孔庆山, 2004)。在过去的几十年里从形态学(李朝銮等, 1996)、孢粉学(刘三军等, 1997)、解剖学(何永华等, 1994)、生物化学(马之胜和贺普超, 1998)和分子标记技术(张立平等, 1998)等方面对中国野生葡萄的分类和亲缘关系进行了大量的研究。由于葡萄属内种间性状的过渡类型和种内多型性现象比较常见,加之分类学者对种或变种等的分类标准意见不一,使得我国原生的葡萄属植物种类的具体数目尚无公认的定论(孔庆山, 2004)。

近期,DNA序列分析被用于葡萄属植物的系统进化研究(Tröndle et al., 2010),由于DNA序列分析具有如下优点:(1)测定相对较快,能够获得大量性状;(2)序列之间的可比性强,可通过GeneBank等获取相关序列,对不同的序列进行比较;(3)DNA序列分析的软件和方法的不断创新和完善。目前,植物的cpDNA序列和核糖体IT序列在植物类群的系统发育研究中应用较多(汪小全等, 1997)。

叶绿体中的非编码区包括内含子(rpl16, rps16, rpoC1等)和转录间隔区(atpF-atpH, trnH-psbA, trnL-trnF等),由于其在功能上受到限制较少,进化速率较快,适用于较低分类阶元及其分化类群间的系统学研究(Shaw et al., 2005),已在甘草属、芍药属等物种中用于属间和属内种间的系统进化研究(Kondo et al., 2007; 张金梅等, 2008, 中国科学C辑: 生命科学, 38(12): 1166-1176),并在棱果沙棘中用于检测杂种材料的母系血统来确定其起源(Wang et al., 2008)。

ITS区是核糖体DNA中的转录间隔区,以数以千万计的串联重复形式存在于一个或多个染色体基因位点上,它位于18S rDNA、5.8S rDNA和26S rDNA之间,包含被5.8S rDNA分隔开的ITS1和ITS2两个间隔序列。ITS在被子植物中为双亲遗传,由于其DNA序列长度保守、基因组内一致和基因组间可变等特点(A´lvarez and Wendel, 2003),已在乌头属、柑橘属等植物中用于系统进化研究来推断物种的起源和亲缘关系(Luo et al., 2005; Li et al., 2010)。

本研究利用3个叶绿体转录间隔区(atpF-atpH, trnH-psbAtrnL-trnF)和核糖体基因组的ITS序列对包括16个中国葡萄野生种及其近缘植物在内的22份材料构建系统进化树,来确定中国葡萄野生种及其近缘植物间的亲缘关系,为中国野生葡萄资源的遗传进化研究提供初步的理论依据。

1结果与分析
1.1 cpDNA序列分析
通过对中国野生葡萄及其近缘种22份材料的cpDNA片段(atpF-atpH, trnH-psbAtrnL-trnF)的测序分析可知,3个cpDNA序列中,trnT-trnL简约信息位点最多(5.6%),trnH-psbA简约信息位点最少(0.46%),GC含量27.9%~31.3%。对3个cpDNA序列进行合并分析,合并后序列长度为1938 bp,其中变异位点为113个,简约信息位点为55个(表1)。


表1 3个叶绿体转录间隔区序列片段的序列特征
Table 1 The cpDNA sequence characters of the three regions analyzed

1.2 cpDNA聚类分析
为分析中国野生葡萄及其近缘种的系统发生关系,以圆叶葡萄亚属的代克赛(V. rotundifolia cv. Dixie)为外类群,采用最大简约法构建严格一致性树(Strict consensus tree)。从(图1)可以看出:以圆叶葡萄亚属为外类群,真葡萄亚属材料有3个主要分枝,分枝A包括美洲种群的河岸葡萄和沙地葡萄,分枝B包括欧亚种葡萄,分枝C包括中国葡萄野生种,且欧亚种与中国葡萄野生种的亲缘关系较近,这些样本之间的亲缘关系与其在不同大陆间的地理分布一致。


图1 由22个葡萄属植物基因型的3个叶绿体DNA片段组合(atpF-atpH, trnH-psbAtrnL-trnF)构建的最大简约树
注: 树长=113, 一致性指数=0.9823, 保留指数=0.9950; 分支上的数字是1000次自展的数据支持率
Figure1 Maximum parsimonious tree for 22 genotypes of vitis materials obtained from combined data set of three cpDNA framents
Note: The tree has a length of 113 steps, a consistency index(CI) of 0.9823, a retention index(RI) of 0.9950; Numbers above the branches are bootstrap values (%) of 1000 replications

1.3 ITS序列分析
对中国野生葡萄及其近缘种的22份材料的66个克隆的ITS序列进行序列分析,结果表明,‘灵宝变叶01’、‘变叶葡萄0958’、‘卢氏网脉02’、‘燕山葡萄0947’、‘菱叶葡萄0945’、‘玫瑰香’、‘河岸葡萄6402’和‘代克赛’中有两种不同类型的ITS序列,故选择30个ITS序列进行系统学分析(表2)。其中,5.8S序列的长度在22份材料中基本一致为160 bp,仅在毛葡萄、腺枝葡萄和桑叶葡萄的114位存在一个碱基(T)的插入。‘V. riparia.79.1’、‘V. riparia.79.3’和‘var. dissecta.68.2’在ITS序列的497-509处有连续12个碱基的删除,‘V. heyneana.3.2’、‘ssp. ficifolia.12.2’和‘V. adenoclada.22.2’在ITS序列的679-680处有连续11个碱基的删除(图2)。分析结果表明ITS序列多态性好,能够用于葡萄属种间的系统分类学研究。


图2 30个ITS序列克隆的部分序列比对结果
Figure 2 Partial Sequence alignment results from 30 ITS sequence data


表2 ITS序列特征
Table 2 The characters of ITS sequence

1.4 ITS序列聚类分析
为分析中国野生葡萄及其近缘种的系统发生关系,以圆叶葡萄亚属的Dixie为外类群,采用最大简约法构建严格一致性树(Strict consensus tree)。从(图3)可以看出,以圆叶葡萄亚属材料为外类群,真葡萄亚属植物为单系群(BS 100%),真葡萄亚属材料有两个主要分枝,分枝E包括18个种在内的25个克隆,可分为G、H、I和J 4个亚分枝。分枝F包括形态特征较为相近的‘桑叶葡萄943’、‘都安毛葡萄’和‘罗城腺枝01’3个种的3个克隆,‘V. heyneana.3.2’和‘V. adenoclada.22.2’首先聚为一枝(BS 100%),再与‘ssp. ficifolia.12.2’聚在一起(BS 100%)。
 

图3 由22个葡萄属植物基因型的30个ITS序列克隆构建的最大简约树
注: 树长=333, 一致性指数=0.8481, 保留指数=0.8691; 分支上的数字是1000次自展的数据支持率
Figure 3 Maximum parsimonious tree for 22 genotypes of vitis materials obtained from 30 ITS sequence data
Note: The tree has a length of 333 steps, a consistency index(CI) of 0.8481, retention index (RI) of 0.8691; Numbers above the branches are bootstrap values (%) of 1000 replications

2讨论
2.1叶绿体转录间隔区DNA聚类分析
利用3个叶绿体转录间隔区(atpF-atpH, trnH-psbAtrnT-trnL)对22份葡萄属植物进行系统发育重建,以圆叶葡萄亚属为外类群,真葡萄亚属材料有3个主要分枝,分枝A包括美洲种群的河岸葡萄和沙地葡萄,分枝B包括欧亚种葡萄,分枝C包括中国葡萄野生种,表明样本之间的亲缘关系与其大陆性地理分布相一致。Tröndle等(2010)利用3个cpDNA序列(trnL introntrnL-F IGStrnK intron)对30个种的47份葡萄属植物材料进行葡萄属植物的起源和进化的研究也表明同一大陆起源的样本亲缘关系较近。

在分支D中,‘变叶葡萄0958’、‘灵宝秋葡萄’、‘都安毛葡萄’、‘云南葡萄01’、‘腺毛变叶’、‘嵩县桦叶葡萄’、‘桑叶葡萄943’、‘罗城腺枝01’、‘菱叶葡萄0945’和‘山葡萄0933’9个种的亲缘关系较近,其中山葡萄、毛葡萄为广泛分布种,在国内20个省均有分布,变叶葡萄、桦叶葡萄、桑叶葡萄、腺枝葡萄、秋葡萄在国内10个以上的省份中分布,菱叶葡萄和云南葡萄分布范围狭窄(孔庆山, 2004)。上述种在地理分布及形态特征上均存在较大差异,但其亲缘关系较近,推测上述9个种在进化过程中具有共同的母本祖先,并随着不同种间基因的交流和对各自生存环境的适应而发生进化。‘湖南刺葡萄’、‘美丽葡萄1104’、‘卢氏网脉02’、‘葛藟0943’、‘华东葡萄1057’、‘灵宝变叶01’、‘燕山葡萄0947’、‘舞钢庙街蘡薁’和分枝D各为一类,呈并列关系,各自独立进化。上述结果表明我国葡萄属种质资源的遗传多样性较为丰富,是阐明世界葡萄起源、演化和生物多样性必不可少的重要证据。

2.2 ITS序列聚类分析
植物体中存在数以万计的核糖体基因拷贝的串联重复,而ITS序列在协同进化(Concerted evolution)过程中的均质化不完全和假基因的存在等原因,可能会在同一个体内存在多个ITS序列(A´lvarez and Wendel, 2003)。在PCR过称中添加4%的DMSO能够有效除去假基因(郑小艳等, 2006),但‘灵宝变叶01’、‘变叶葡萄0958’、‘卢氏网脉02’、‘燕山葡萄0947’、‘菱叶葡萄0945’、‘玫瑰香’、‘河岸葡萄6402’和‘代克赛’仍存在多重核糖体DNA序列,ITS测序得到的3个克隆有2个克隆相同,这与小麦族中不同品种之间存在主要和次要两种核糖体DNA的结果相同(Dubcovsky and Dvorak, 1995),由于受到多重核糖体DNA序列影响,ITS序列所反映的亲本信息较为复杂,并且在系统进化树的构建中存在塌陷(collapse)现象,试验所构建的ITS树只能够部分揭示22份材料之间的亲缘关系。

2.3部分样本亲缘关系
分枝F中,毛葡萄、腺枝葡萄和桑叶葡萄3者的亲缘关系在学者之间存有不同意见,有认为桑叶葡萄是毛葡萄的亚种,也有认为桑叶葡萄应作为独立的种处理(孔庆山, 2004)。桑叶葡萄与毛葡萄的形态特征差异较大,而腺枝葡萄与毛葡萄的差异小,仅按照腺毛的有无来确定分类地位。图1显示3个种聚在一起,亲缘关系较近,图2中毛葡萄与腺枝葡萄亲缘关系较桑叶葡萄近,上述结果与王文采观点一致(王文采, 1979),认为桑叶葡萄应作为一个独立的种来对待。毛葡萄是我国葡萄属植物中较为原始类型(晁无疾和袁志发, 1990),分枝F表明毛葡萄、腺枝葡萄和桑叶葡萄独立聚类且与其它葡萄属植物的亲缘关系较远(BS 100%),也说明上述3种较早的从原始种中发生独立进化。

分枝G中,‘燕山葡萄0947’是上世纪80年代河北昌黎果树所提供的燕山葡萄实生种子生长的单株,是两性花,扦插容易生根,与中国野生葡萄为雌雄异株以及扦插难以生根的特点不符;中国野生葡萄不具美洲种群抗葡萄根瘤蚜的特性,而前期试验结果表明‘燕山葡萄0947’对葡萄根瘤蚜具有一定的抗性(张化阁等, 2009),叶绿体树中‘var. dissecta.68’和中国野生葡萄聚在一起,ITS树中‘var. dissecta.68.2’先‘V. riparia.79.3’聚在一起后又和‘V. riparia.79.1’聚在一起(自展支持值分别为84%和99%),因此,推测‘燕山葡萄0947’是母本为中国野生葡萄的一个种,父本为河岸葡萄的种间杂种。

分枝H中,欧亚种葡萄‘玫瑰香’的花粉形态研究表明其与起源于我国的山葡萄有一定的亲缘关系(刘三军等, 1997),叶绿体树中显示‘V. amurensis.28’和‘V. vinifera.74’亲缘关系较远,ITS树中‘V. amurensis.28.3’和‘V. vinifera.74.2’聚在一起(BS 72%)。结合母本和双亲信息可知玫瑰香与山葡萄的母本亲缘关系较远,父本亲缘关系较近。

分枝I中,‘灵宝变叶01’和‘变叶葡萄0958’亲缘关系较近(BS 72%),与其形态性状分类结果一致(牛立新和贺普超, 1996)。

分枝J中,‘华东葡萄1057’和‘葛藟0943’聚在一起(BS 96%),与形态性状分类结果一致(牛立新和贺普超, 1996)。‘湖南刺葡萄’和‘沙地葡萄0904’亲缘关系较近(BS 99%),在前人的研究中未见报道。结合母本和双亲信息推测,二者母本亲缘关系较远,而父本亲缘关系较近。

由于ITS树在聚类过程中存在支持值较低(<50%),‘var. dissecta.68.3’、‘V. bellula.69.4’和‘V. piasezkii.55.3’等一些材料的聚类结果值得商榷,需要结合形态学特征和其它分类手段进行研究。

3材料和方法
3.1材料
试验中的22份材料包括18份中国野生葡萄,1份欧亚种,2份美洲种和1份圆叶葡萄亚属,均来源于中国农业科学院郑州果树研究所国家果树种质郑州葡萄资源圃(表3)。
 

表3 用于系统进化分析的葡萄材料
Table3 Vitis materials used for phylogenetic analysis

3.2 DNA的提取扩增和测序
采用改良的CTAB法从葡萄嫩叶中提取基因组DNA(王姣, 2008),在1%的琼脂糖凝胶上进行电泳检测,使用Bio-Photometer plus核酸定量仪(Eppendorf)检测基因组DNA的浓度和纯度,并将浓度稀释至30~50ng/μL。
叶绿体和ITS序列信息(表4)。


表4 cpDNA和ITS片段的引物信息
Table 4 The primer information of the cpDNA and ITS fragment

20 μL PCR扩增体系包括:30~50 ng DNA模板,2 μL 10×PCR Buffer,其它反应试剂及PCR反应程序(表5)。利用胶回收及纯化试剂盒(北京艾德莱生物科技有限公司)完成PCR产物的纯化。ITS序列的克隆、测序选用pGEM-T载体(Promega)和DH5α感受态细胞(天根生化科技有限公司)完成。目标序列的连接、转化,经菌落PCR验证,得到阳性克隆,每份材料选择3个克隆进行测序。


表5 cpDNA和ITS片段的PCR扩增体系和反应程序
注: 在trnT-trnL和ITS的扩增体系中添加BSA(终浓度为0.1g/L); 在ITS的扩增体系中添加DMSO(为总反应体积的体系的4%)
Table 5 PCR amplification system and cycling conditions used to amplify the cpDNA and ITS fragment
Note: Add BSA to trnT-trnL and ITS PCR reaction mix (final concentration was0.1g/L); Add DMSO to ITS-PCR reaction mix (4% of total reaction volume)

3.3 DNA分析方法
将得到的序列用Contig Express Computer Program (InforMax, Inc., Bethesda, MD)软件进行拼接,通过与GeneBank上已知葡萄的cpDNA全序列(DQ424856.1)比较后,确定扩增序列的正确性。用Clustal X 1.83软件对序列进行比对(Thompson et al., 1997),再用Bioedit 7.0.9进行序列手工校对(Hall, 1999),使用Mega 5.0计算碱基组成,包括GC含量、保守位点、变异位点和信息位点(Tamura et al., 2007)。利用PAUP * 4.0b10软件,以圆叶葡萄亚属Dixie为外类群对比对后的序列采用最大简约数法(Maximum Parasimony, MP)进行系统发育分析(Swofford, 2000),为搜索最简约MP树,采用启发式搜索(heuristic searches),树二等分再连接分支交换(TBR),各种核酸替代等同加权,对由于序列多态性造成的空位(Gaps)处理作缺失(Missing)状态。序列添加采用随机方式(Random),拓扑结构的可靠性用1000次重复的自展检验(Bootstrap analysis)来评估(Felsenstein, 1985)。

作者贡献
张永辉、樊秀彩和张颖是本研究的实验设计和实验研究的执行人;张永辉、孙海生及姜建福完成数据分析,论文初稿的写作;刘崇怀是项目的构思者及负责人,指导实验设计,数据分析,论文写作与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。

致谢
本研究由现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-30-yz-1)资助。作者感谢中国农业科学院郑州果树研究所鲁振华老师和彭斌老师在本实验过程中的技术支持和有益的建议。感谢两位匿名的同行评审人的评审建议和修改建议。

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《分子植物育种》网络版
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