燕麦属物种系统发育与分子进化研究

论文摘要

燕麦属（Arena L.）隶属于禾本科（Poaceae）,早熟禾亚科（Pooideae）,燕麦族（Aveneae）,全世界约29个种,含有6种染色体组组成类型（A、C、AB、AC、CC和AACCDD）。燕麦属不同倍性以及不同基因组构成的物种是栽培燕麦产量、品质和抗性改良的重要基因库。但是,相似的形态和重叠的地理分布使燕麦属部分物种的分类与鉴定存在困难;染色体组构成和倍性差异更增加了分类鉴定的复杂性,这种情况阻碍了对这些燕麦物种优异遗传资源的有效利用。此外,由于缺乏明确的二倍体供体物种,燕麦属异源多倍体的起源一直存在争议。本文通过细胞质基因组的扩增片段限制性片段长度多态性（PCR-RFLP）和叶绿体微卫星标记（ccSSR）分析;叶绿体matK基因、trnL内含子和trnL-F基因间隔区、核糖体5S rRNA基因和nrDNA的内转录间隔区（ITS）以及低拷贝的核基因LEAFY的内含子等序列比较分析的方法,对燕麦属种间和基因组间的系统发育关系,以及异源多倍体的起源和ITS的分子进化等进行了研究,并尝试开发燕麦属基因组和物种鉴定的特异标记。主要研究结果如下:1.采用PCR-RFLP技术对燕麦属25个种的95个居群以及1个外类群共96份材料细胞质基因组DNA片段的遗传变异进行了分析。利用12个细胞质通用引物扩增出片段,然后用8种限制性内切酶对扩增产物进行酶切,共获得203条DNA片段,其中仅39条具有多态性,占19.2%,结果表明该标记在燕麦属中多态性很低,不能有效区分不同的基因组、物种或种内居群,因此对于燕麦细胞质基因组的研究需选用多态性更高的标记或直接比较不同物种的叶绿体或线粒体DNA序列。2.利用叶绿体微卫星引物对燕麦25个物种80份材料的SSR位点进行了扩增。16个ccSSR位点检测到51个等位基因,多态信息含量最高为0.754。80份供试材料的平均遗传相似系数为0.545。采用鉴别分析法,评价了ccSSRs分子标记在区分燕麦不同基因组方面的价值。遗传相似性分析结果表明,燕麦属中A基因组二倍体物种相对于其它物种具有更大的遗传分化。根据叶绿体标记母性遗传特点,推测A.damascena可能是A.fatua的母本,而A.strigosa和A.lusitanica分别与不同六倍体物种以及AACC基因组四倍体物种的关系较近,表明多倍体燕麦物种的A基因组是从不同AA基因组的二倍体物种起源的。C基因组物种与其它基因组类型的物种能明显区分,但C基因组二倍体A.clauda有分布在不同组群内的个体,可能该物种在燕麦进化过程中具有比较重要的作用。3.根据叶绿体基因组母系遗传特点,选择matK和trnL-F两个叶绿体基因片段探讨燕麦属异源多倍体物种的母系亲本。在本研究中,代表A基因组的分支包含了燕麦属中含A基因组的所有倍性的物种,而且在两个不同的片段独立和合并的分析中这些物种都以很高的自展支持率聚为一支,说明A基因组二倍体作为燕麦多倍体物种的母本参与燕麦属多倍体物种的形成,且不同多倍体物种具有的A基因组二倍体祖先也不同。六倍体物种A.sativa、A.sterilis和A.occidentalis,AC基因组四倍体物种A.maroccana和A.murphy,以及AB基因组四倍体物种A.agadiriana一起与二倍体物种A.wiestii组成一支,Ad基因组二倍体物种A.damascena与六倍体物种A.fatua的遗传关系更近;A.hirtula可能是A.abyssinica、A.vaviloviana和A.barbata等三个AABB物种的母本。因此,燕麦属多倍体物种具有多系母本起源,而并非都起源于同一个母本。4.鉴于ITS片段进化的特殊性以及该片段一直被作为致同进化的经典范例而广泛应用于系统发育研究,基于169条ITS序列的比较,探讨其在燕麦属多倍体中的致同进化方式及其系统学意义。本研究发现,燕麦属异源多倍体的ITS存在不同进化方式。首先,ITS定向致同进化方式在大部分燕麦异源多倍体中出现。在AABB和AACC四倍体中,所有ITS克隆序列都毫无例外地出现在含A染色体组的二倍体所在的分支中,没有其它类型的拷贝出现。在5个燕麦属六倍体物种中,有4个物种的ITS序列均属于A基因组的ITS类型。这些结果表明燕麦属大多数多倍体的rDNA仅定向保留母本的ITS类型。其次,在六倍体物种A.fatua（AACCDD）中同时保留了两类分别来自亲本AA和CC的ITS拷贝类型。因此,在利用ITS片段进行系统发育分析,特别是涉及异源多倍体时必须考虑到该片段特殊的进化模式,以避免作出错误的系统发育推断。5.对从燕麦属26个物种71个居群材料中获得的553条5S rDNA序列进行比较分析,发现可将所有序列划分为代表燕麦各基因组的六种单元类型,分别命名为Long A1、Long B1、Long M1、Short C1、Short D1和Short M1,而Long M1和Short M1仅在燕麦属唯一的多年生物种A.macrostachya中发现。其中,Long M1单元类型与代表C基因组的Short C1单元类型更相似,Short M1单元类型则与Long A1和Long B1关系更近,而Short D1单元类型与其它类型差异较大。与小麦不同,燕麦属每个基因组仅发现一种5S rDNA单元类,且大多数序列都属于Long A1类型。从四倍体A.abyssinica和A.vaviloviana以及二倍A.atlantica和A.longiglumis中发现了代表B基因组的Long B1单元类型。Short C1单元类型在C基因组二倍A.clauda、A.eriantha和A.ventricosa中发现,同时还在二倍体A.longiglumis、四倍体A.insularis和A.maroccana以及所有的ACD基因组六倍体物种中存在。Short D1单元类型也存在于所有的六倍体物种中。同时,在C基因组二倍体物种A.clauda和A.murphyi冲也发现了代表D基因组的拷贝类型。虽然B基因组和D基因组都仅在多倍体中存在,但本研究从二倍体物种中发现了代表B基因组和D基因组的单元类型。这就为今后寻找多倍体中B基因组和D基因组的起源提供了线索。在燕麦A、B、C、D四个基因组中,燕麦属最原始的多年生物种A.macrostachya与C基因组关系更近。6.利用具有更多系统进化信息位点的低拷贝核基因片段LEAFY intⅡ对燕麦属内种间进化关系和多倍体起源进行研究,找到了B基因组和D基因组起源的线索。三个AB基因组四倍体物种A.abyssinica、A.barbata和A.vaviloviana的B基因组可能由二倍体物种A.hirtula起源,而另一个AABB物种A.agadiriana的B基因组则可能起源于二倍体物种A.damascena。对于仅在六倍体中存在的D基因组则可能是起源于含有D类拷贝的C基因组二倍体物种A.clauda和A.eriantha,以及四倍体物种A.murphyi。同时,燕麦属多倍体物种中的C基因组显示了与Cp基因组物种A.clauda更近的遗传关系。7.根据5S rRNA基因序列在不同基因组间的差异设计基因组特异引物对燕麦属物种进行扩增,探索了全面获取不同物种所有序列拷贝类型和鉴别燕麦属染色体组的方法。已找到能准确鉴定A基因组和D基因组的特异引物,显示出开发燕麦属基因组特异标记的可行性和应用价值。同时,这些特异引物还可用于燕麦种质资源的快速准确鉴定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概论
• 1 燕麦属的分类系统和染色体组研究
• 2 燕麦属物种系统进化研究概况及存在问题
• 2.1 燕麦属物种系统进化研究概况
• 2.2 燕麦属研究中存在的问题
• 3 本研究的目标和方法
• 第二章 燕麦属细胞质基因组PCR-RFLP分析
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.2 实验方法
• 2.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 细胞质基因组STS-PCR标记扩增产物的多态性
• 3.2 STS-PCR标记扩增产物酶切后的多样性
• 4 讨论
• 第三章 叶绿体微卫星标记及其在燕麦属中的应用
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 供试材料和DNA提取
• 2.2 PCR扩增和银染检测
• 2.3 基因组多样性分析
• 2.4 鉴别分析
• 2.5 多态信息含量和聚类分析
• 3 结果与分析
• 3.1 ccSSR标记的多态性
• 3.2 判别分析
• 3.3 多态信息含量和聚类分析
• 4 讨论
• 4.1 ccSSR分子标记的有效性分析
• 4.2 分类鉴别分析
• 4.3 二倍体燕麦的关系
• 4.4 多倍体物种的母系亲本
• 第四章 利用叶绿体matK和trnL-F探讨燕麦属多倍体的母系亲本
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 植物材料
• 2.2 PCR扩增
• 2.3 序列分析
• 3 结果与分析
• 3.1 叶绿体片段trnL-F的序列和系统进化分析
• 3.2 matK基因序列和系统进化分析
• 3.3 trnL-F和matK序列的合并分析
• 4 讨论
• 4.1 A基因组和C基因组的分化
• 4.2 燕麦属A基因组二倍体间的关系
• 4.3 燕麦属多倍体的母系亲本
• 第五章 核糖体ITS序列在燕麦属中的系统进化及其系统学意义
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 植物材料
• 2.2 扩增、克隆和测序
• 2.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 ITS多态性
• 3.2 系统发育分析
• 4 讨论
• 4.1 ITS序列在燕麦属多倍体中的进化
• 4.2 ITS的进化机制
• 4.3 ITS序列在系统发育重建上的启示
• 第六章 5S rRNA基因序列在燕麦属染色体组鉴定和基因组关系分析中的运用
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料、DNA提取及5S rRNA基因扩增
• 2.2 克隆测序
• 2.3 序列分析
• 3 结果与分析
• 3.1 序列比对和5S rDNA单元类型的确定
• 3.2 5S rDNA各单元类型的一致序列
• 3.3 系统发育分析
• 4 讨论
• 4.1 5S rDNA各单元类型所代表的基因型
• 4.2 基于5S rDNA序列推测燕麦属多倍体起源
• 4.3 5S rDNA序列的致同进化
• 第七章 利用LEAFY基因间区探讨燕麦属网状进化和多倍体起源
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 植物材料
• 2.2 PCR扩增、克隆
• 2.3 数据分析
• 3 结果与分析
• 3.1 LFY intⅡ序列分析
• 3.2 二倍体物种A基因组和C基因组的进化分析
• 3.3 AABB四倍体及其相关物种的系统进化分析
• 3.4 AACC四倍体物种间及其与A、C基因组二倍体的关系
• 3.5 AACCDD物种与A、C基因组相关物种的进化分析
• 3.6 燕麦属不同基因组序列合并和分组的系统进化分析
• 4 讨论
• 4.1 燕麦属代表不同基因组的LFY intⅡ序列类型及其拷贝类型
• 4.2 燕麦属物种各基因组的起源和进化
• 4.3 六倍体燕麦的起源和进化
• 第八章 燕麦属基因组特异标记开发
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 植物材料
• 2.2 引物设计与PCR扩增
• 3 结果与分析
• 3.1 A基因组特异引物的扩增结果
• 3.2 D基因组特异引物的扩增结果
• 4 讨论
• 结论
• 参考文献
• 附件 低拷贝核基因LEAFY在麦类作物系统发育中的利用评价
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 植物材料
• 2.2 PCR扩增、克隆和测序
• 2.3 序列分析
• 3 结果与分析
• 3.1 序列基本信息比较
• 3.2 单倍型比较
• 3.3 核苷酸多样性分析
• 3.4 系统发育分析
• 4 讨论
• 4.1 LEAFY基因不同区段在系统发育分析中的利用价值评价
• 4.2 LEAFY基因的拷贝类型以及单拷贝基因在系统进化中的正确运用
• 参考文献
• 本研究主要创新点
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和完成的论文