稻屬C染色體組物種的群體遺傳學(xué)和物種形成研究.pdf

1、植物近緣物種系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過(guò)程一直以來(lái)都是植物進(jìn)化生物學(xué)研究中最基本的問(wèn)題之一，是人們理解自然界物種多樣性產(chǎn)生和變化的前提。近緣物種間通常形態(tài)相似，遺傳和分子水平的分化很小且常受諸如漸滲雜交、譜系分選、種內(nèi)重組等微觀進(jìn)化事件的影響，導(dǎo)致植物近緣物種間系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過(guò)程研究極為困難。在過(guò)去十多年中，生物技術(shù)的革新和理論方法的發(fā)展極大地推動(dòng)了進(jìn)化生物學(xué)研究，促進(jìn)了人們對(duì)一些重要模式生物與其近緣種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和物種分化過(guò)程的認(rèn)識(shí)，

2、如人、果蠅、線蟲(chóng)、擬南芥和玉米等。然而，迄今在植物中，許多重要類群及其近緣種的系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過(guò)程研究仍不多見(jiàn)，包括在具有特殊重要性的栽培作物中，如稻屬(Oryza L.)。由于屬內(nèi)包含有重要糧食作物水稻，稻屬向來(lái)都是禾本科內(nèi)備受關(guān)注的一個(gè)類群。本研究中，我們通過(guò)多基因序列的方法，探討了稻屬C染色體組三個(gè)近緣二倍體物種的系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過(guò)程，主要研究結(jié)果如下。
　　 為選擇適宜的實(shí)驗(yàn)策略和保證序列數(shù)據(jù)的真實(shí)性，我們利用不同聚

3、合酶擴(kuò)增自交的栽培稻Oryza sativa ssp.japonica和異交的O.longistaminata不同類型的基因片段，采用克隆測(cè)序的方法，評(píng)估聚合酶鏈?zhǔn)綌U(kuò)增反應(yīng)(PCR)中產(chǎn)生的非真實(shí)變異的狀況。我們使用exTaq、exTaq和Pfu混和酶和PfuUltraTM酶三種不同聚合酶擴(kuò)增了Adh1、GPA1和Waxy三個(gè)基因片段。在檢測(cè)到的非真實(shí)變異中，PCR錯(cuò)誤的類型主要為單堿基變異和不同等位基因間重組，其中以單堿基變異為主，且

4、突變類型以轉(zhuǎn)換占絕大多數(shù)。比較不同酶擴(kuò)增錯(cuò)誤的結(jié)果表明，高保真PfuUltraTM酶對(duì)PCR反應(yīng)錯(cuò)誤有顯著的改善，在擴(kuò)增產(chǎn)物的單克隆中幾乎檢測(cè)不到PCR噪音，錯(cuò)誤率僅為0.0001％，而exTaq和混和酶的錯(cuò)誤率分別為0.096％和0.073％。從不同物種比較結(jié)果來(lái)看，exTaq酶和Pfu酶混用時(shí)在自交的D.sativa ssp.japonica內(nèi)對(duì)PCR錯(cuò)誤也表現(xiàn)明顯的改善，但在異交的O.longistaminata中改善效應(yīng)不太明顯

5、。在三個(gè)不同基因位點(diǎn)上，PCR擴(kuò)增錯(cuò)誤出現(xiàn)頻率隨擴(kuò)增區(qū)域增長(zhǎng)而變大。在PfuUltraTM酶的擴(kuò)增產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)重組最少，exTaq和混和酶重組較多，且混和酶對(duì)重組改善效果不明顯?；诓煌酆厦笖U(kuò)增錯(cuò)誤對(duì)比研究結(jié)果，我們認(rèn)為，由于能保證序列變異的真實(shí)性且不遺漏等位基因，核基因的克隆測(cè)序較宜于分離雜合個(gè)體中不同的等位基因。
　　 基于隨機(jī)挑取4個(gè)葉綠體和10個(gè)核基因位點(diǎn)，利用12份Oryza officinalis、8份O.eichi

6、ngeri和4份O.rhizomatis材料，對(duì)稻屬C染色體組三個(gè)近緣二倍體物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系作了深入分析。利用不同的系統(tǒng)發(fā)育分析方法對(duì)單基因位點(diǎn)序列和合并序列數(shù)據(jù)作了分析，結(jié)果表明，稻屬C染色體組三個(gè)近緣種間呈多歧分支。因此，三個(gè)二倍體C染色體組物種可能經(jīng)快速輻射分化形成。在不同核基因和葉綠體基因的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中各分支枝長(zhǎng)均很短，也表明C染色體組的三個(gè)物種可能在較短時(shí)期內(nèi)分化出。不同基因間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一致主要受譜系隨機(jī)分選的影響。此外，C

7、染色體組不同物種間的種間漸滲和不同等位基因重組對(duì)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的沖突也有影響。值得注意的是，C染色體組三個(gè)物種的輻射分化不排除由于相鄰兩次物種形成事件間隔時(shí)間太近、目前數(shù)據(jù)量不夠而無(wú)法分辨的可能。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于系統(tǒng)發(fā)育重建困難的類群，利用等位基因構(gòu)建物種譜系樹(shù)有助于挖掘不同基因間結(jié)果不一致的因素。
　　 基于10個(gè)隨機(jī)選取的核基因序列數(shù)據(jù)，利用物種水平的取樣方式和群體遺傳學(xué)分析方法，我們研究了稻屬C染色體組三個(gè)近緣物種O

8、.officinalis、O.eichingeri和O.rhizomatis的核苷酸多態(tài)性，并根據(jù)多態(tài)性水平和式樣，推測(cè)了三個(gè)近緣種分化的歷史。結(jié)果表明，在C染色體組的三個(gè)近緣種中，僅分布于斯里蘭卡的O.rhizomatis的核苷酸多態(tài)性水平相對(duì)最低(θsil=0.0038)，而間斷分布于非洲和斯里蘭卡的O.eichingeri最高(θsil=0.0057)。與被子植物其他類群相比，稻屬C染色體組三個(gè)物種的核苷酸多態(tài)性水平顯得較低，O.

9、eichingeri的核苷酸多態(tài)性僅約為玉米及其近緣野生種的23-46％和擬南芥的35％。C染色體組內(nèi)三個(gè)野生種相對(duì)較低的核苷酸多態(tài)性水平可能起因于其較小的祖先有效群體。物種形成模型分析表明，O.officinalis和其近緣種從最近共同祖先分化開(kāi)后可能經(jīng)歷了居群縮減的歷史，且自最近共同祖先分開(kāi)后，三個(gè)物種彼此間并無(wú)顯著的基因交流?；诜肿隅姶致怨浪懔薈染色體三個(gè)物種分化時(shí)間，結(jié)果表明，三個(gè)物種彼此在很短的時(shí)期內(nèi)分開(kāi)，約0.63-0.6