基于桑树ITS和叶绿体DNA序列的系统发生分析

发布时间：2020-07-15 03:28

【摘要】：桑树作为一种重要的木本经济植物,具有上千年的栽培历史。我国是桑树的重要起源中心,拥有丰富的种质资源。上千年的人工栽培和自然杂交导致出现了较多的桑树变种或亚种,这些桑树资源有的在形态学极为相似却有不同的命名。其中白桑(Morus alba)则是分布最广泛的桑种,白桑种数量庞大且命名存在很大争议,为此,本研究旨在寻找一种合适的分子标记对白桑种内资源进行分类。核转录间隔区(internal transcribed spacer,ITS)具有串联重复、拷贝数高、易于扩增以及分辨率高的优点,已经在物种鉴定以及系统发育关系等研究中得到了广泛的应用。叶绿体非编码区具有相对较高的突变率,历来被学者选为研究种内系统发育分析重要的工具。因此我们尝试借助核转录间隔区和叶绿体DNA序列的非编码区来揭示白桑种内的分类与亲缘关系。本研究的具体研究内容如下:1.40种桑树资源的ITS序列的分析通过对40种桑树资源的ITS测序比对分析,发现16种桑树资源中有ITS多态性,存在致同进化不完全现象。我们从GC含量统计、二级结构最小自由能以及5.8S区是否有3种保守基序这三种因素来分析多态性ITS,发现其中13种桑树资源的ITS-β拷贝是假基因,水桑和云6、柬埔寨分别是将要完成致同进化和处于刚开始致同进化的时期。为了研究ITS-β是否具有进化上的意义,结合假基因重建桑树ITS系统发生树,ITS-β与B族桑树并列,并且云6母本的ITS-β1拷贝与云6、柬埔寨的ITS-β聚成一个小支,与其他ITS-β明显区分,因此我们认为云6母本可能是区别于ABCD四族之外的一个分支,将其命名为E。结合ITS-β拷贝的统计和在进化树中的位置,我们认为这16种桑树资源正在进行致同进化。因白桑具有很强的生态势,其进化的方向可能是白桑。为此,我们对桑树的致同进化过程做出如下推测:假设E族桑树与B族桑树杂交,杂交后代包含来自父母双方的两种ITS类型,但是由于白桑(B族桑树)具有很强的生态势,E族的ITS会发生功能性退化,首先表现在E族ITS拷贝数的减少,然后发生截短,最后逐渐进化成B族ITS。2.基于叶绿体DNA序列的桑树系统发育分析对六种桑树叶绿体基因组进行共线性分析,我们共选取了以下叶绿体DNA序列用做分子系统发生分析:基因间隔区trnL-trnF、trnT-trnL、trnD-trnT和psbE-petG。通过对四条序列的分析我们发现trnD-trnT和psbE-petG序列不适合用于系统发育分析,而trnL-F和trnT-L序列是桑树叶绿体基因组的高突变区,能够比较全面的反映桑树品种之间的亲缘关系,因此我们构建了trnL-F和trnT-L联合的系统发生树。进化树首先肯定了川桑滇桑在进化上古老的位置,其次,29种桑树资源以100%的支持率分化成两个类群:板桥6号、巴塞罗那、火桑、吉蒙桑、山西甜桑、怀30-2、华桑、蒙桑、伊达赤木、乌皮桑、新一之濑、石棉桑和斯里兰卡为一支;保靖7号、珍珠白、日本改良10字、云6、柬埔寨、皮桑2号、贵23、伦教109、韩国大白珍珠、新加坡四季果桑、水桑、台湾超长果、药桑、云7、阿根廷和乐山大红皮为另一支。但是由于信息位点少,两大群内部形成许多小的分支后验概率偏低,内部的系统发生关系仍没有得到解决。通过核ITS和cpDNA对桑树进化关系的分析存在差异,ITS进化树中的B族桑树和存在ITS多态性的桑树在cpDNA进化树中没有明显的分化,推测是桑树中频繁的杂交造成的。通过核ITS的序列分析,证实了在桑树中存在致同进化不完全现象,并发现云6母本是区别于ABCD四族桑树之外的另一个种;通过cpDNA的序列分析,筛选到了trnL-F和trnT-L作为白桑资源种内分类的分子标记;通过核ITS和cpDNA序列的联合分析,我们认为B族桑树可能有两个亚种。本研究对于桑树的起源和进化有重要意义,并能为桑树的资源选择和杂交育种提供依据。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S888.2
【图文】：

序列结构

西南大学硕士学位论文植物的核基因组庞大，远大于叶绿体基因组和线粒体基因组，并且存在大量的重复序列，其进化速率比较快。植物中经常用于分子系统发生分析的是编码核糖体RNA 的基因（nrDNA）及其间隔区。nrDNA 是中等重复的基因家族，由转录区和非转录区构成，其中 18S、5.8S 和26S 形成多拷贝的串联重复序列，而 5S rDNA 则单独形成一个多拷贝的重复序列，而转录间隔区（internal transcribed spacer,ITS）是位于 18S 和 26S rDNA 之间的转录间隔区，中间被 5.8SrDNA 分成 ITS1 和 ITS2（图 1.1）。

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4图 1.2 印度桑 K2 的叶绿体基因组图谱[35]Fig. 1.2 Gene map of the chloroplast genome of Morus indica cv. K21.2.2.1 植物 DNA 条形码及物种鉴定DNA 条形码技术最早是在 2003 年 Hebert 等人提出的，他认为可将 DNA 序列作为物种分类的条形码，即 DNA 条形码技术(DNA barcoding)[37]，动物的 DNA 条形码是线粒体细胞色素C 氧化酶基因 CO1，具有引物通用性高和进化速率快等优点，但是植物的线粒体基因进化速

序列,华桑,种桑,ITS序列

西南大学硕士学位论文在贝叶斯安装目录下。3.3 结果和分析3.3.1 ITS 序列特征分析3.3.1.1 ITS 序列长度统计40 种桑树资源中，ITS 序列长度的变化范围在 611~626bp 间，其中 24 种桑树资源片段长度是 611bp，不存在 ITS 多态性，并且分为序列一致的两类，分别以华桑和怀 30-2 为代表。华桑类包括：华桑、板桥 6 号、乌皮桑、珍珠白、台湾超长果、巴塞罗那、新加坡四季果桑、伊达赤木、蒙桑、吉蒙桑、日本改良十字、乐山大红皮、斯里兰卡、云 2、云 3、云 5 和云 9；怀 30-2 类包括怀 30-2、贵 14、贵 23、云 7 母本、云 14、云 15 和云 19。华桑类和怀 30-2 类的 ITS 仅在 82bp（A/G）和 597bp（T/G）两处存在差异（图 3.1）。

【参考文献】