稻屬C染色體組物種的群體遺傳學和物種形成研究.pdf

1、植物近緣物種系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過程一直以來都是植物進化生物學研究中最基本的問題之一，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、種內重組等微觀進化事件的影響，導致植物近緣物種間系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過程研究極為困難。在過去十多年中，生物技術的革新和理論方法的發(fā)展極大地推動了進化生物學研究，促進了人們對一些重要模式生物與其近緣種間的系統(tǒng)發(fā)育關系和物種分化過程的認識，

2、如人、果蠅、線蟲、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)育和物種形成過程研究仍不多見，包括在具有特殊重要性的栽培作物中，如稻屬(Oryza L.)。由于屬內包含有重要糧食作物水稻，稻屬向來都是禾本科內備受關注的一個類群。本研究中，我們通過多基因序列的方法，探討了稻屬C染色體組三個近緣二倍體物種的系統(tǒng)發(fā)育和物種形成過程，主要研究結果如下。
　　 為選擇適宜的實驗策略和保證序列數(shù)據(jù)的真實性，我們利用不同聚

3、合酶擴增自交的栽培稻Oryza sativa ssp.japonica和異交的O.longistaminata不同類型的基因片段，采用克隆測序的方法，評估聚合酶鏈式擴增反應(PCR)中產(chǎn)生的非真實變異的狀況。我們使用exTaq、exTaq和Pfu混和酶和PfuUltraTM酶三種不同聚合酶擴增了Adh1、GPA1和Waxy三個基因片段。在檢測到的非真實變異中，PCR錯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、突變類型以轉換占絕大多數(shù)。比較不同酶擴增錯誤的結果表明，高保真PfuUltraTM酶對PCR反應錯誤有顯著的改善，在擴增產(chǎn)物的單克隆中幾乎檢測不到PCR噪音，錯誤率僅為0.0001％，而exTaq和混和酶的錯誤率分別為0.096％和0.073％。從不同物種比較結果來看，exTaq酶和Pfu酶混用時在自交的D.sativa ssp.japonica內對PCR錯誤也表現(xiàn)明顯的改善，但在異交的O.longistaminata中改善效應不太明顯

5、。在三個不同基因位點上，PCR擴增錯誤出現(xiàn)頻率隨擴增區(qū)域增長而變大。在PfuUltraTM酶的擴增產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)重組最少，exTaq和混和酶重組較多，且混和酶對重組改善效果不明顯?；诓煌酆厦笖U增錯誤對比研究結果，我們認為，由于能保證序列變異的真實性且不遺漏等位基因，核基因的克隆測序較宜于分離雜合個體中不同的等位基因。
　　 基于隨機挑取4個葉綠體和10個核基因位點，利用12份Oryza officinalis、8份O.eichi

6、ngeri和4份O.rhizomatis材料，對稻屬C染色體組三個近緣二倍體物種的系統(tǒng)發(fā)育關系作了深入分析。利用不同的系統(tǒng)發(fā)育分析方法對單基因位點序列和合并序列數(shù)據(jù)作了分析，結果表明，稻屬C染色體組三個近緣種間呈多歧分支。因此，三個二倍體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)育樹中各分支枝長均很短，也表明C染色體組的三個物種可能在較短時期內分化出。不同基因間拓撲結構不一致主要受譜系隨機分選的影響。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系統(tǒng)發(fā)育樹的沖突也有影響。值得注意的是，C染色體組三個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間太近、目前數(shù)據(jù)量不夠而無法分辨的可能。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)，對于系統(tǒng)發(fā)育重建困難的類群，利用等位基因構建物種譜系樹有助于挖掘不同基因間結果不一致的因素。
　　 基于10個隨機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分析方法，我們研究了稻屬C染色體組三個近緣物種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，推測了三個近緣種分化的歷史。結果表明，在C染色體組的三個近緣種中，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染色體組內三個野生種相對較低的核苷酸多態(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后可能經(jīng)歷了居群縮減的歷史，且自最近共同祖先分開后，三個物種彼此間并無顯著的基因交流?；诜肿隅姶致怨浪懔薈染色體三個物種分化時間，結果表明，三個物種彼此在很短的時期內分開，約0.63-0.6