植物分子系统学论文的特点

近年来的研究表明，核酸和蛋白质分子组成单体的排列顺序中，保留了大量的进化信息。由于分子水平上的进化是通过核苷酸（或氨基酸）的相互取代进行的，所以在两个物种中，相应的核酸或蛋白质顺序的差异数目，即可提供表明他们亲缘关系的疏密，结构越相似，亲缘关系越紧密，反之，亲缘关系越疏远。再如细胞色素C，是在生物氧化中起重要作用的一种蛋白质。可以通过测定各种植物细胞色素C的氨基酸顺序的差异，推断出植物间的亲缘关系。

D.Southworth认为：21世纪的目标之一是发现和解释所有等级的分类群的形态区别的遗传基础。这方面的解释不同于分子序列数据的系统树，因为只有对植物之间相似和差异有重要关系的基因，才应予以考虑。中国科学院王文采认为：在被子植物中由于花部构造由分生到合生，数目的演变，子房上位到下位，花粉单沟到三沟，胚珠类型的变化，珠被两层到一层，厚珠心到薄珠心等等演变，而形成各种各样的新类群。那么控制这些特征演变的基因是如何演变的，很重要！也可能由此找到原始的被子植物。

从Thorne文中引用的参考文献625条中，其中分子系统学文章有88篇，《Annals of the Missouri Botanical Garden》（2005，Vol.92，No.2）刊发文章9篇，其中分子系统学文章有2篇。由此说明，在试验分类研究中，目前分子系统学研究趋势强劲。

7.1 推动分析系统学发展的主要因素

①分子系统学试验方法的不断改进；②基因组的全序列测定；③用于分子系统学研究的基因种类不断增加，对这些基因的结构、功能及其进化规律的认识不断深入；④化石DNA的研究；⑤分析软件包的不断完善及计算机运算功能的增强。

7.2 基因组的全序列测定

基因组的全序列测定确定各基因的排列位置，对揭示高等级分类群的进化过程有着重要的意义。维管植物的叶绿体基因组与苔藓植物的叶绿体基因组有很大差异，即一个30kb的倒位片断，由于石松类植物（lycopsids）与地钱Marchantia polymorpha具有相同的基因排列顺序，因此它标志着早期维管植物的分歧点（Raubeson&Jansen，1992）。此外，基因组的全序列测定提供了各基因的详尽序列，为PCR引物的设计及目的基因的扩增提供了前提条件。测定全序列的类群越多，越容易参照近缘类群的基因设计更为专一的PCR引物，极大提高试验效率及结果的可靠性。由于核基因组十分庞大，进行全序列测定十分困难，目前仅在水稻Oryza sativa中实施这一计划；植物的线粒体基因组重排事件频繁，很难应用于分子系统学研究，特别是高等级分类群的研究中。

7.3 用于分子系统学研究的主要基因种类及其进化规律

（1）rbc L基因。

尽管DNA序列分析有潜力解决所有分类等级的系统发育问题，但目前的绝大多数研究还是利用叶绿体基因组中的rbc L基因，并用于远缘属间及科级以上分类群上的研究。“密苏里植物园年刊”第80卷第3期集中发表了这方面的论文。其中最重要的一篇是基于rbc L基因序列对整个种子植物进行的系统发育重建（Chaseetal，1993）。Chase等的研究涉及499种种子植物，代表了绝大部分植物科，他们构建的分支图为将来利用分子或非分子性状进行系统发育研究提供了十分有用的框架，可以说这篇文章是系统学研究的又一块里程碑。此外，Chase等的一些研究结果具有很好的启发性，值得系统学家们深思。

运用rbc L基因序列构建系统树应注意一些问题，rbc L基因的变异虽然较均匀地分布于整个基因上，但其密码子的3个位置的变异速率有极大差异，密码子的第一和第二位的变异速率远低于第三位的变异速率，因而构建系统树的分辨率低，但平行演化事件少，构建的系统树较为真实；第三位的变异速率高，构件系统树的变异率高，但由于平行演化时间多，构建的系统树有时与真实的进化树相差甚远。

（2）mat K。

mat K位于trn K基因的内含子中，长约1500碱基，编码一种成熟酶（maturase），这种成熟酶参与RNA转录体中Ⅱ型内含子的剪切。mat K是叶绿体基因组蛋白编码基因中进化率最快的基因之一，具有重要的系统学价值，一般用于科内、属间、甚至种间关系的研究。

Johnson&Soltis（1995）对狭义虎耳草科Saxifragaceae、Gilia（Polemoniaceae）及其近缘种群的mat K基因进行了序列分析。

（3）rps4。

rps4是一个较保守的叶绿体基因，长约600碱基。Nadot等（1995）选择39种禾本科（Poaceae）植物、28种禾本科以外的单子叶植物、11种双子叶植物及其他陆生植物，分别对这些植物的rps4基因进行序列分析，并构建系统树。结果发现rps4基因树和rbc L基因树是一致的，这两个基因树均对单子叶植物分类系统中的超目提出质疑，并证明rps4基因在禾本科植物乃至单子叶植物目一级的系统学研究中均是一个很好的工具。

7.4 核基因组

（1）18S rRNA基因。

Buchhelm等（1996）用18S rRNA基因序列对藻类植物进行系统学研究，发现两种衣藻属植物Chlamydomonas moewusii和Chlamydomnas reinhardtii18S nrDNA序列的分化程度很高，这一差异相当于大豆属Glycine和美洲苏铁属Zamia间的差异，由此对衣藻属是否为一个单系群提出质疑。

Chaw等（1997）运用18S rRNA基因序列探讨裸子植物的分子系统发育及种子植物的进化问题，结果如下：种子植物为一单系群，种子是单元发生的；被子植物构成一个很好的单系群，bootstrap的支持强度达100%；裸子植物也为一个单系类群，bootstrap的支持强度为75%，由于裸子植物缺乏多个仅出现于被子植物中的序列变异（如序列中136、680及1549位的单碱基缺失及239位的单碱基插入），进一步支持裸子植物为一单系群；NJ树和简约树均支持裸子植物中的3个单系谱支，即苏铁目Cycadales、银杏目Ginkgouales、买麻藤目Gnetales—松杉目Coniferales，由于买麻藤目和松杉目为姐妹群关系，因而不支持买麻藤目为被子植物的姐妹群；在松杉目中，松科是单系的，且位于其他科的基部。

William等（1996）利用18S rRNA基因序列对单子叶植物中的56个属进行系统发育分析，得出姜科Zingiberaceae是单系的结论，并提出一些值得深思的问题。

7.5 内转录间隔区（internal transcribed spacer，ITS）

ITS区位于18S和26S rRNA基因之间，被5.8S rRNA基因分为两段，即ITS-1和ITS-2。ITS区在裸子植物中的变异十分复杂，仅ITS-1区的长度变异可相差几个kb，甚至在欧洲云杉Picea abies的同一个体中，Karvonen（1995）发现不同ITS—1拷贝的长度可相差约500bp，因此ITS序列分析不适用于裸子植物的分子系统学研究。相反，ITS在被子植物中的长度变异很小，ITS-1和ITS-2的长度均不足300bp，PCR扩增及测序简单易行，特别是PCR直接测序法的诞生，极大地推动了ITS在被子植物科内，尤其是近缘属间及种间关系研究中的应用。

因ITS序列的进化速率较快，等位基因间乃至ITS的不同拷贝之间都可能存在序列上的差异，利用其探讨系统发育过程时，PCR直接测序法明显优于克隆测序，因为克隆的为单个分子，对杂合位点无能为力，除非同时对很多克隆进行测序，否则就存在代表性问题。

综上所述，核基因和叶绿体基因序列分析对揭示植物系统发育过程均具有重要意义。很多研究表明核基因树与叶绿体基因树是一致的，但叶绿体基因一般是单亲遗传的，有时不能反映真正的进化历程。相反，核基因是双亲遗传的，利用其序列变异探讨植物的系统发育过程优于叶绿体基因，特别是解决网状进化问题，遗憾的是核基因组十分庞大，目前我们还知之甚少，水稻核基因组的全序列测定将会极大地推动核基因在分子系统学研究中的应用。

7.6 化石DNA的研究

生物系统学研究致力于推断生物类群间的系统发育关系，并说明现存生物多样性产生的历史过程。分子生物学技术在进化生物学研究中的应用有利于推断进化的式样和过程，化石DNA的研究更有助于评判系统发育假说的可信度。此外，通过对间断分布类群及其近缘的化石类群的基因序列的比较，不仅可以阐明系统发育关系，而且可以揭示生物地理分化过程。在一定的时间范围内，古DNA序列上的变异可用于分子钟的构建。在过去的几十年中，生物学家们已分离出了许多古DNA并进行了分析，这些古DNA分别代表不同的地质年代、不同的生物类群及不同的保存条件（Soltis&Soltis，1993）。

Soltis等（1992）从中新世落羽杉属Taxodium植物的叶化石中提取了DNA，用PCR方式扩增了rbc L基因中的1380个碱基（包括引物区），测定了1320个碱基，这一化石DNA序列与现存Taxodium distichum的rbc L序列相比，11个碱基（0.83%）发生替换（全属转化类型），且这11个替换均发生于密码子的第3位，并属无义替换。化石落羽杉与现存落羽杉的rbc L序列的差异仅为化石木兰属植物与现存木兰属植物rbc L差异的三分之一，说明化石落羽杉样品可能与现存落羽杉为同一个种。此外，从中新世落羽杉的化石叶片中提取DNA，并成功地对rbc L基因的大部分区域进行扩增和测序，这进一步证明：利用1700万～2000万年前的植物化石进行DNA分析是可能的。

区序列在种子植物系统与进化研究中的应用说明事项：一是在科、亚科、族水平上的应用ITS区序列分析已成为在分子水平上探讨科、亚科、族内关系十分有效的手段，在植物系统发育与分类的研究中起了重要作用。

虽然ITS序列分析应用于科内系统发育研究的例子很多，但不能应用于所有类群。Kim等研究发现ITS1序列分析不适用于小檗科（Berberidaceae）的系统发育研究；Downie等发现ITS不适用于Apiaceae科Apiodeae亚科系统发育研究。ITS序列在不同植物类群中的进化速度差异很大，因此，其在系统学研究中的范围应视类群而定。

二是由于ITS区域具有较多的碱基信息，在长度上具有较好的保守性，因此该片段特别适合于属、组级的系统发育及分类研究。

三是由于位点内（intralocus）、位点间（interlosus）的同步进化，ITS在种内的系统发育和分类受到限制，基于植物进化的复杂性，仍有报道发现ITS序列存在种内多态性（intraspecific polymorphism）。

由于ITS—1和ITS—2的变异都很小，所以研究者对ITS区进行不同染色体倍性及其非整倍体的遗传关系的分析，这也说明ITS区可用于多倍体物种的系统学研究。

四是在高等植物的进化过程中，50%～70%的被子植物在进化历史上曾经历过多倍化。不同倍性的植物之间形成极为复杂的网状进化关系，要重建这种关系是一项非常困难的工作。由于核rDNA的ITS区序列亦成为研究植物较低分类阶元系统发育和分类的有效工具，因此，对多倍化后ITS区如何进化的研究在植物区系统学理论方面显得尤为重要。多倍体内ITS序列的进化十分复杂，祖先的ITS序列在多倍体内可能共存，也可能朝着某一祖先的ITS序列进化。

ITS序列在揭示杂种起源方面可提供重要的系统学信息，但对于处在同步进化过程中的多倍化起源类群，既观察不到明显的双亲ITS序列又观察不到完全一致的序列，还要结合形态学、遗传学、等位酶等多种方法进行研究。

由于裸子植物片断较长，给扩增、测序、分析等增加了难度，但又因其可能蕴涵较大的信息量，所以近年来利用ITS片断使裸子植物某些类群的系统发育和分类工作有了新的进展。

Gernandt等对Larix和Pseudotsuga的ITS研究认为：ITS片断可很好地解决松科近属间和属下的体统关系，但由于较大的长度变异给排序带来困难，大大削弱了ITS片断在科下属间的应用效果。

分子生物学是研究解决植物分类学疑难问题的重要手段。近些年来被国家自然科学基金资助的植物学研究项目的统计分析表明：在植物系统发生与演化及其技术的应用导致新的研究热点的不断深入，尤其是分子生物学技术影响到植物学的领域，被资助的项目呈上升趋势。1998—2001年美国国家科学基金会支持的植物基因组研究重点放在结构和功能基因组学方面。

王少全、洪德元（1997）发表的《植物分子系统学近五年的研究进展概况》详细论述了植物分子系统学的最近研究成果，论证了分子生物学证据的重要作用。