大叶藻科的系统发育与大叶藻居群遗传学研究

论文摘要

大叶藻（Zostera marina Linnaeus）隶属于沼生目（Helobiae）、大叶藻科（Zosteraceae）、大叶藻属（Zostera）,广泛分布于太平洋和大西洋沿海。针对大叶藻科在形态及分子分类方面不尽相同的研究结果,本研究基于matK、rbcL和ITS部分序列对大叶藻科及国内5种大叶藻进行了系统发育研究,并且开展了大叶藻不同地理居群遗传多样性的AFLP和微卫星DNA分析。主要研究结果如下:1、比较分析了15种大叶藻的matK基因和ITS片段的核苷酸序列,结果发现胞嘧啶（C）在2个目的片段上含量均较低。ITS基因片段检测到228处核苷酸替换,表现出丰富的遗传多态性,matK基因片段上有249处核苷酸替换,且大部分替换来自于第三密码子的同义替换,种间在氨基酸水平上产生了一定的分化。基于matK基因和ITS片段,利用邻接法、最大简约法、最大似然法和贝叶斯法构建的系统发育树结果基本一致,明显分为4大支,大叶藻亚属、异叶藻属、拟大叶藻亚属和虾形藻属分别构成一支。大叶藻亚属和拟大叶藻亚属的核苷酸差异值在29.09%-35.51%,超过了屈良鹄等提出的大部分被子植物ITS属间核苷酸差异值（9.60%-28.80%）,在分子水平上两亚属都达到了属间差异。研究结果支持Tomlinson和Posluszny对大叶藻科的划分结果,建议将大叶藻科分为4个属。2、运用PCR直接测序法,对采自爱尔兰、日本、韩国以及中国的大叶藻、矮大叶藻、丛生大叶藻和红须根虾形藻叶绿体的matK、rbcL和核糖体ITS的部分片段进行测序,并结合GenBank中的宽叶大叶藻相关序列,比较分析了5种大叶藻3个目的片段的核苷酸差异,结果发现胞嘧啶（C）在3个目的片段上含量均较低。ITS片段检测到172处核苷酸替换,表现出丰富的遗传多态性。matK基因片段上有52处核苷酸替换,rbcL基因片段上有20处核苷酸替换,且大部分替换来自于第三密码子的同义替换,种间在氨基酸水平上产生了一定的分化。基于ITS、matK和rbcL 3个片段,利用邻接法、最大简约法、最大似然法和贝叶斯法构建的系统发育树结果基本一致,明显分为3大支。矮大叶藻与属间3种大叶藻的核苷酸最小差异值为19.33%,明显超过了屈良鹄等提出的大部分被子植物ITS属间核苷酸差异值,在分子数据上达到了属的水平。基于matK和rbcL基因片段拼接序列的分析结果表明:大叶藻与丛生大叶藻的分化时间约在上新世,与宽叶大叶藻的分化时间约在上新世,与矮大叶藻的分化时间约在渐新世,与红须根虾形藻的分化时间约在始新世。4个地区的大叶藻的ITS片段序列完全相同,结果表明大叶藻ITS区的变异程度与地理距离无相关性,ITS不适合用于大叶藻不同地理株间的分子系统演化。该研究进一步阐述了5种大叶藻的系统发育关系,同时也为国内海草的分子系统发育研究提供了重要参考。3、基于AFLP技术对6个不同地理居群的63株大叶藻进行了居群遗传学研究。6对引物共得到235条条带,其中160条（68.09%）是多态性的。最高平均杂合度值和Shannon多样性指数出现在爱尔兰克莱尔郡居群（0.072和0.115）,而最低值出现在青岛胶南居群（0.007和0.011）。6个居群遗传相似性系数（S）范围为0.660-0.924,相应的遗传距离（D）范围为0.076-0.340。AMOVA分析结果显示83.29%的变异来自居群间,16.71%的变异来自于居群内。由UPGMA系统树可以看出,中国的3个居群聚类到一起,而天鹅湖居群与胶南居群亲缘关系较近,可能是由于历史大海草场退化后的小片段居群发展起来的,遗传结构也是历史海草场的一小部分;山东半岛沿岸的海洋环流很容易造成一些独立的生境斑块,从而造成了天鹅湖居群与俚岛居群的隔离,阻碍了两个大叶藻居群间的基因交流。地理距离是中国、韩国、日本和爱尔兰大叶藻居群间产生遗传分化的主要原因。4、采用4对微卫星引物对7个大叶藻居群进行了遗传多样性与遗传结构分析。在148株植株上扩增得到57个等位基因,每个位点等位基因数约为14,大叶藻居群的平均期望杂合度（He）为0.687,平均观测杂合度（Ho）为0.417。以青岛湾居群的遗传多样性最高（A=7.750,AR=7.043）,俚岛居群最低（A=4.750,AR=4.543）。从FST值来看,7个大叶藻居群间存在中度分化。UPGMA系统树显示中国的4个居群聚类到一起,可能是由于历史大海草场的遗留小片段居群造成的;而中国、韩国、日本和爱尔兰大叶藻居群间遗传分化则主要是由于地理距离造成的。自由交配估计结果支持海草的东亚起源说。青岛湾居群遗传多样性较高,应该得到优先保护,并可优先作为大叶藻移植修复的材料和基因库。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 与分子系统发育研究相关的基因
• 1.1.1 核基因研究的标记
• 1.1.2 叶绿体研究的标记
• 1.1.3 线粒体DNA
• 1.2 常用的分子遗传标记方法
• 1.2.1 等位酶（Allozyme）
• 1.2.2 限制性内切酶酶切片段长度多态性或基于PCR 的限制性片段长度多态性
• 1.2.3 随机扩增片段长度多态性DNA
• 1.2.4 扩增酶切片段长度多态性
• 1.2.5 微卫星技术
• 1.2.6 简单序列重复区间扩增多态性
• 1.3 分子系统发育重建的常用方法
• 1.4 我国分布的几种大叶藻科物种
• 1.5 大叶藻的研究现状
• 1.5.1 大叶藻科物种的分类及系统演化关系
• 1.5.2 大叶藻的居群遗传多样性研究
• 1.6 本文的研究目的及意义
• 第二章 大叶藻科的系统发育研究
• 2.1 基于核糖体ITS 和叶绿体matK 基因片段对大叶藻科的系统发育研究
• 2.1.1 前言
• 2.1.2 材料与方法
• 2.1.3 结果
• 2.1.4 讨论
• 2.2 基于核糖体ITS 和叶绿体matK、rbcL 基因片段对国内5 种大叶藻的系统发育研究
• 2.2.1 前言
• 2.2.2 材料与方法
• 2.2.3 结果
• 2.2.4 讨论
• 第三章 大叶藻不同地理居群遗传多样性研究
• 3.1 大叶藻居群遗传多样性的AFLP 分析
• 3.1.1 前言
• 3.1.2 材料与方法
• 3.1.3 结果
• 3.1.4 讨论
• 3.2 大叶藻居群遗传多样性的微卫星分析
• 3.2.1 前言
• 3.2.2 材料与方法
• 3.2.3 结果
• 3.2.4 讨论
• 第四章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间完成及发表的论文