稻属C染色体组物种的群体遗传学和物种形成研究

植物近缘物种系统发育和物种形成过程一直以来都是植物进化生物学研究中最基本的问题之一，是人们理解自然界物种多样性产生和变化的前提。近缘物种间通常形态相似，遗传和分子水平的分化很小且常受诸如渐渗杂交、谱系分选、种内重组等微观进化事件的影响，导致植物近缘物种间系统发育和物种形成过程研究极为困难。在过去十多年中，生物技术的革新和理论方法的发展极大地推动了进化生物学研究，促进了人们对一些重要模式生物与其近缘种间的系统发育关系和物种分化过程的认识，如人、果蝇、线虫、拟南芥和玉米等。然而，迄今在植物中，许多重要类群及其近缘种的系统发育和物种形成过程研究仍不多见，包括在具有特殊重要性的栽培作物中，如稻属（Oryza L.）。由于属内包含有重要粮食作物水稻，稻属向来都是禾本科内备受关注的一个类群。本研究中，我们通过多基因序列的方法，探讨了稻属C染色体组三个近缘二倍体物种的系统发育和物种形成过程，主要研究结果如下。 为选择适宜的实验策略和保证序列数据的真实性，我们利用不同聚合酶扩增自交的栽培稻Oryza sativa ssp. japonica和异交的O. longistaminata不同类型的基因片段，采用克隆测序的方法，评估聚合酶链式扩增反应（PCR）中产生的非真实变异的状况。我们使用exTaq、exTaq和Pfu混和酶和PfuUltraTM酶三种不同聚合酶扩增了Adh1、GPA1和Waxy三个基因片段。在检测到的非真实变异中，PCR 错误的类型主要为单碱基变异和不同等位基因间重组，其中以单碱基变异为主，且突变类型以转换占绝大多数。比较不同酶扩增错误的结果表明，高保真PfuUltraTM酶对PCR反应错误有显著的改善，在扩增产物的单克隆中几乎检测不到PCR噪音，错误率仅为0.0001%，而exTaq和混和酶的错误率分别为0.096%和0.073%。从不同物种比较结果来看，exTaq酶和Pfu酶混用时在自交的O. sativa ssp. japonica内对PCR错误也表现明显的改善，但在异交的O. longistaminata中改善效应不太明显。在三个不同基因位点上，PCR扩增错误出现频率随扩增区域增长而变大。在PfuUltraTM酶的扩增产物中发现重组最少，exTaq和混和酶重组较多，且混和酶对重组改善效果不明显。基于不同聚合酶扩增错误对比研究结果，我们认为，由于能保证序列变异的真实性且不遗漏等位基因，核基因的克隆测序较宜于分离杂合个体中不同的等位基因。 基于随机挑取4个叶绿体和10个核基因位点，利用12份Oryza officinalis、8份O. eichingeri和4份O. rhizomatis材料，对稻属C染色体组三个近缘二倍体物种的系统发育关系作了深入分析。利用不同的系统发育分析方法对单基因位点序列和合并序列数据作了分析，结果表明，稻属C染色体组三个近缘种间呈多歧分支。因此，三个二倍体C染色体组物种可能经快速辐射分化形成。在不同核基因和叶绿体基因的系统发育树中各分支枝长均很短，也表明C染色体组的三个物种可能在较短时期内分化出。不同基因间拓扑结构不一致主要受谱系随机分选的影响。此外，C染色体组不同物种间的种间渐渗和不同等位基因重组对系统发育树的冲突也有影响。值得注意的是，C染色体组三个物种的辐射分化不排除由于相邻两次物种形成事件间隔时间太近、目前数据量不够而无法分辨的可能。在本研究中，我们发现，对于系统发育重建困难的类群，利用等位基因构建物种谱系树有助于挖掘不同基因间结果不一致的因素。 基于10个随机选取的核基因序列数据，利用物种水平的取样方式和群体遗传学分析方法，我们研究了稻属C染色体组三个近缘物种O. officinalis、O. eichingeri和O. rhizomatis的核苷酸多态性，并根据多态性水平和式样，推测了三个近缘种分化的历史。结果表明，在C染色体组的三个近缘种中，仅分布于斯里兰卡的O. rhizomatis的核苷酸多态性水平相对最低（θsil = 0.0038），而间断分布于非洲和斯里兰卡的O. eichingeri最高（θsil = 0.0057）。与被子植物其他类群相比，稻属C染色体组三个物种的核苷酸多态性水平显得较低，O. eichingeri的核苷酸多态性仅约为玉米及其近缘野生种的23-46%和拟南芥的35%。C染色体组内三个野生种相对较低的核苷酸多态性水平可能起因于其较小的祖先有效群体。物种形成模型分析表明，O. officinalis和其近缘种从最近共同祖先分化开后可能经历了居群缩减的历史，且自最近共同祖先分开后，三个物种彼此间并无显著的基因交流。基于分子钟粗略估算了C染色体三个物种分化时间，结果表明，三个物种彼此在很短的时期内分开，约0.63-0.68 Myr。同时，O. eichingeri在非洲和斯里兰卡两个地理宗的分异时间约为0.37 Myr，且推测斯里兰卡的O. eichingeri主要由西非经长距离扩散传播到斯里兰卡。

基于TCP和MYB基因的表达模式，试探四数苣苔（Bournea sinensis）(苦苣苔科)中次生辐射对称花形成的进化发育途径

花对称性，作为花器官的一个基本而又非常重要的特征，它的进化发育过程，越来越吸引着科学家们的注意力。次生辐射对称花的形成也越来越受到关注。然而在分子发育水平上，除了模式植物金鱼草（Antirrhinum majus）和少数其他种外，次生辐射对称花演化的机制仍然是一个巨大的未被探索的领域。 在金鱼草和柳穿鱼（Linaria vulgaris）中，腹部化反常整齐花的形成各自是由CYC和LCYC基因沉默所致，二者基因沉默分别是由于转座子的插入和DNA广泛甲基化所导致;而在豆科（legumes）中，辐射对称花的形成是由于legCYC基因在五个花瓣上都有表达，这种情况和金鱼草中CYC基因同源异位表达所形成的背部化辐射对称花相似。然而，自然起源的两侧对称花支系中的次生辐射对称花的形成似乎并不是简单的花对称性基因功能丢失或获得。自然形成的次生辐射对称花究竟可能经历了怎样的进化途径？对此，我们选择了广义唇形目（Lamiales sensu lato）中苦苣苔科（Gesneriaceae）植物——四数苣苔（Bouenea sinensis）作为研究对象，通过和模式植物金鱼草的突变体中花对称性基因表达特征比较，结合其近缘种——五数苣苔（Bournea leiophylla）中DIVARICATA在时间和空间上的表达特征，试图揭示苦苣苔科中可能的两侧对称向次生辐射对称花转变的新的演化途径，以及在这种进化过程中所产生的可能的器官丢失或融合现象。 四数苣苔和五数苣苔同属于苦苣苔亚科（Cyrtandroideae）苦苣苔族（Trib.Ramondeae Eritsch）中的四数苣苔属（Bournea Oliv）。该属仅仅有两个种——四数苣苔和五数苣苔，它们都是次生辐射对称花类群中的典型代表，而且两者花发育过程都显示出了由腹部向背部顺序发生和生长的特征。然而和五数苣苔相比，四数苣苔花瓣和雄蕊数目分别少了一枚，拥有四枚花瓣（背部花瓣两枚、两侧花瓣两枚）和四枚雄蕊（背部雄蕊一枚、两侧雄蕊两枚、腹部雄蕊一枚）。从形态特征比较来看，很有可能是四数苣苔在次生辐射对称花形成的过程中，发生了腹部花瓣的丢失和两枚腹部雄蕊愈合成了一枚较大的腹部雄蕊。那么，我们推测在四数苣苔次生辐射对称花形成过程中，花对称性基因即CYC类和DIV类基因在分子水平上发生了变化，这种变化和四数苣苔中次生辐射对称花的形成有关。 基于上述考虑，我们开展了对四数苣苔中花对称性基因——BsCYCLOIDEA、BsDIVARICATA、BsRADALIS以及BsCYCLIND3四个基因共9个拷贝进行了在花组织中表达模式研究。我们在四数苣苔中共分离到了五个拷贝的CYC类基因，分别命名为BsCYC1C-1、BsCYC1C-2、BsCYC1D、BsCYC2A、BsCYC2B。这五个拷贝在保守的TCP区和R区保持了高度的同源性。BsDIV的两个拷贝BsDIV1、BsDIV2也是如此，在保守的两个区domain I、domain II，尤其是在那些螺旋和环结构处，保守性相当高。组织原位杂交结果显示，BsDIV在四数苣苔中的表达非常特别，在金鱼草和五数苣苔中该类基因的表达分两个不同时期，即早期表达和晚期特异性表达，BsDIV在四数苣苔中似乎没有早期表达模式或者在很早期就已经进入到了晚期的表达模式。它在四个花瓣的两侧边缘和四个雄蕊上均等表达，而且这种表达持续时间相对比较长。组织原位杂交结果也得到了RT-PCR结果的支持。有趣的是BsRAD的RT-PCR结果显示，BsRAD在晚期花瓣上只在背部表达，但是在雄蕊上的表达却和金鱼草中AmRAD在背部区域表达不同，它的表达从背部延伸到了两侧和腹部。BsRAD在花器官的第二轮和第三轮的表达显然发生了分化。这种现象可能暗示着BsRAD功能发生了分化。BsRAD和BsDIV在腹部雄蕊上精细的时间空间调控关系可能正是导致腹部雄蕊愈合的原因。RT-PCR结果并没有检测到BsCYC2在晚期花上的表达。原位杂交结果显示BsCYC2在第8期以后表达就基本消失了，从而验证了RT-PCR结果。BsCYC2在早期花原基和早期花器官上都是均匀表达，但在表达消失之前，它在花瓣裂片和花冠筒的分界处则有表达信号，BsCYC2可能和调控花冠筒高度有关。根据Almeida 和 Galego（2002）所说，花冠筒高度的改变依赖于CYC 、DIV基因和其它非主动生长决定因子之间的相互作用。BsCYC1C晚期的RT-PCR结果显示它在背部花瓣、背部雄蕊和两侧雄蕊上均有表达信号，但在腹部花瓣和雄蕊上则没有表达信号，这似乎和四数苣苔由腹部向背部顺序发育的形态特征相符合，说明BsCYC1C可能起到了抑制背部花瓣和背部雄蕊生长的作用。

花青素代谢途径上结构基因和调控基因的多态性分析

在生物个体中，很多基因位点都存在多个等位基因。这些等位基因存在的生物学意义是什么？是中性突变的结果还是进化选择的结果？本文以花青素代谢途径为平台，以圆叶牵牛为研究对象，试图探讨相关的生物学问题。具体问题是：（1）等位基因的多样性在调控基因和结构基因中是否有所不同？（2）两个等位基因的启动区会有什么不同？ 我们首先在来自新圭亚那、美国和中国的17个圆叶牵牛个体中调查了花青素代谢途径上第一个关键酶基因CHS-D基因和下游的最后一个基因UF3GT，以及三类调控基因MYB1、bHLH1、WDR1的多态性。目前的研究结果表明，CHS-D位点有三个等位基因，其中在中国的西南部地区发现了一个新的等位基因CHS-D-SINO1。下游的结构酶基因UF3GT位点存在3个等位基因，其中的UF3GT-c是我们在新圭亚那的三个个体中所新发现的。调控基因中，MYB1位点存在两个等位基因，其中一个是新发现的。bHLH2位点存在3个等位基因，均为新发现的。WDR1位点也存在三个等位基因，其中两个都是在本实验中新得到的。调控基因和结构基因位点的等位基因数量没有明显差别。 为了进一步了解等位基因的差异，我通过inverse PCR的方法得到了花青素代谢途径上F3H基因的两个等位基因F3H1和F3H3的启动区序列。通过分析发现，F3H1和F3H3的编码区序列相似性达到99%，而启动区序列相似性为79.7%，总体相似性87.1%。可见，这两个等位基因的差异主要集中在启动区。 F3H1启动区包含了16个bHLH蛋白的识别位点；而F3H3启动区包含9个bHLH蛋白的识别位点。其中，两者完全一样的有7处。除bHLH蛋白以外，F3H1和F3H3都分别含有一个MYB蛋白的识别位点，但两者所处的位置不同。这些数据表明这两个等位基因在功能上应该差别不大，但在应答调控基因对其的调节作用上可能有所差别。

水稻OsGF14-c基因功能的初步分析

GF14是一类在高等植物的基本代谢﹑信号转导﹑抗逆以及转录调节等多种生理生化途径中发挥重要作用的基因。这类基因是14-3-3基因家族的成员，由于启动子结构中具有一个保守的G-Box元件而得名。我们根据该类基因的保守序列合成特异性探针，从水稻中花10号花的cDNA文库中筛选到一个基因，通过全长测序以及同源比较，发现它的核酸序列与NCBI数据库中注册的水稻GF14-c基因有高达99%的同源性，并在其上游启动子区也发现了一个保守的G-Box元件，从而确定该基因是水稻的GF14-c基因，我们把它命名为OsGF14-c。OsGF14-c的cDNA全长1154bp，编码256个氨基酸。序列分析表明该基因与酵母同源基因BMH2有71%的同源性，构建真核表达载体pdYES2，借助LiAC转化法将pdYES2导入BMH2缺陷型酵母菌株GG3000，筛选获得了补偿BMH2功能的重组酵母菌株PYGG。OsGF14-c基因的启动子区域具有一个典型的﹑高等植物特有的顺式作用元件G-Box元件，提示该基因可能与转录因子相互作用，洋葱表皮瞬时表达实验验证了OsGF14-c是核定位的。构建原核表达载体pGF-c2转化大肠杆菌XL1-Blue，筛选获得了表达GF14c-MBP融合蛋白的重组菌株，利用直链淀粉亲和层析纯化了OsGF14c-MBP融合蛋白。为了研究该基因在水稻的生长发育过程中所起的作用，我们以OsGF14-c基因的全长cDNA序列构建反义表达载体载体p35sCAMVF，并分别以OsGF14-c cDNA序列的特异区段以及保守区段构建了RNAi表达载体US和UT。将p35sCAMVF﹑US和UT借助农杆菌介导的转化分别导入水稻愈伤组织,培养成苗并进行遗传学分析。我们的工作对今后深入研究OsGF14-c基因的功能奠定了一定的基础。

内蒙古高原成熟和退化羊草草原群落物种功能特性与土壤微生物量C、N、P对氮素添加响应

氮素是大多数陆地生态系统初级生产力的主要限制因子。由于人类的工业和农业生产活动不断加剧，导致全球性氮沉降增加，使大多数生态系统氮素的可获得性增强。从而降低或消除了氮素对生态系统的限制作用，加速了生态系统生物地球化学过程，对物种多样性和生态系统结构与功能产生了显著的影响。但由于成土母质、气候条件、地形地貌、植被组成等的差异，不同生态系统类型对氮素增加的响应也不尽相同。欧洲和北美一些发达国家地区对于草地生态系统对于全球性氮沉降增加响应进行了较全面的研究，对于分布广泛的欧亚大陆草原研究相对不足。 本文研究选择对于欧亚大陆草原较具代表性的成熟羊草草原群落及该群落的退化类型为研究对象，从1999年开始，在这两类群落中选取地形相对平缓均一，植被组成一致的地段设置了施肥小区并进行持续氮素添加实验。本文研究了成熟和退化羊草草原群落物种功能特性与土壤微生物量C、N、P对氮素添加响应。 羊草群落中6种主要植物的地上生物量、种群密度、比叶面积、叶氮和叶绿素含量对于氮素添加响应以及各指标之间相关关系的分析表明：比叶面积、基于质量的叶片含氮量和叶绿素含量、叶绿素a和叶绿素b的比值等叶片水平上物种功能特性间的相互作用，共同影响和决定了种群密度和地上生物量对氮素添加的响应。羊草通过提高比叶面积、叶片叶绿素含量和含氮量、种群密度及个体生物量等多重调节功能对氮素添加做出响应。西伯利亚羽茅主要通过提高比叶面积、单位质量叶片的叶绿素含量和含氮量，以及株丛生物量，使其在群落占据优势。大针茅和冰草在提高比叶面积、叶片叶绿素含量和含氮量的调节能力相对较低，种群密度沿氮素添加梯度显著降低。黄囊苔草只能通过提高叶片叶绿素含量和含氮量对氮素添加做出响应，其叶绿素a与叶绿素b的比值沿氮素添加梯度逐渐降低，种群密度和地上生物量也显著降低。糙隐子草的叶绿素a与叶绿素b比值沿氮素添加梯度显著降低，但由于糙隐子草具有较高的SLA，且对叶绿素、叶片含氮量的调节能力较强，氮素添加处理没有对其种群密度和地上生物量产生显著的影响。上述结果支持Tilman的光资源竞争假说和Knops等的物种替代假说。 成熟和退化羊草群落土壤微生物量、土壤有机碳、全氮、全磷、速效氮、pH以及凋落物碳、氮、磷含量的测定结果表明：（1）成熟羊草群落表层土壤微生物量碳、氮、磷含量均随氮素添加量的增加而降低;退化羊草群落表层土壤微生物量碳、氮、磷含量沿氮素梯度表现出先增加而后降低的趋势;相关分析的结果显示各群落土壤微生物量碳、氮、磷均与土壤pH呈显著的正相关。（2）微生物量碳、氮、磷含量均随土层深度的增加而下将;而对照的微生物量碳、氮、磷含量则与土壤有机质含量呈显著正相关。（3）年度间降水量差异对土壤微生物量碳、氮、磷具有较大影响。综合上述研究结果，我们认为成熟羊草群落土壤微生物生长不受氮素限制，但退化群落不同;氮素添加导致的土壤酸化作用可能是两类群落表层土壤微生物量下降的主要因素，且这种影响主要集中在0-10cm的表层土壤;表层土壤微生物量碳、氮、磷对氮素添加的响应可能还受到其它因子（如生长季降水量）的影响;深层土壤微生物量较低主要是由于土壤有机质含量较低的缘故。

放牧对内蒙古草原植物C:N:P化学计量特征和资源分配的影响

C、N、P是生物地球化学循环中的重要元素，其可利用性和各元素之间的平衡关系将生态系统的物质循环有机统一为一个整体。化学计量生态学为研究这几种基本元素间的平衡提供了一个有力的理论框架。许多研究表明，过度放牧会改变生态系统的结构和功能，而放牧如何影响植物的C:N:P化学计量关系的却少见报道。本研究以内蒙古锡林河流域沿水分梯度分布的草甸、草甸草原、典型草原和沙地四种植被类型中的灰脉苔草（Carex appendiculata）、贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、冷蒿(Artemisia frigid)、克氏针茅(S. krylovii)和榆树(Ulmus Pumila)疏林沙地8个草地群落为研究对象，对长期禁牧样地和自由放牧样地中273种植物，其中禁牧与放牧样地中的共有植物种为144个，测定了植物叶片C: N: P化学计量特征以及植株高度、丛幅面积、茎、叶和株（丛）生物量、茎叶比等功能性状，系统地研究了放牧对植物C:N:P化学计量特征和资源分配的影响。取得了如下主要研究结果和结论： 1. 放牧降低了植物叶片的C:N比，但增加了N:P比和C:P比。C:N:P 化学计量比的变化主要受叶片N和P含量变化的影响； 2. 植物C:N:P化学计量特征对放牧的响应同时受水分条件的制约。沿水分梯度分布的不同植被类型中，植物叶片C:N:P化学计量特征对放牧的响应不同。草甸群落中，植物叶片C含量显著降低，N和P含量显著增加；在草甸草原群落中，植物叶片C、P含量减少，N含量显著增加；而在典型草原群落中，植物叶片C、N和P含量均显著降低； 3. 在物种水平上，C、N、P含量对放牧的响应分为：显著增加、显著降低和没有显著变化三种类型。放牧影响下，植物叶片N含量和N:P比在显著升高的物种多于显著降低的，而叶片C含量、C:N和C:P显著降低的物种占的比例很小，表明植物对放牧适应策略与物种本身的生物学特性有着密切的关系。 4. 过度放牧使植物的植株高度、丛幅大小、株丛数、茎叶比和单株生物量均显著降低，即植物整体呈现小型化现象，进而导致群落初级生产力、茎和叶生物量下降。轻度放牧对物种的资源分配没有显著影响，单株（丛）生物量和群落茎、叶及总生物量均呈增加趋势，这与过度放牧的影响正好相反。 5. 过度放牧显著改变了物种的资源分配策略，使生物量向叶的分配比例增加，向茎的分配比例减少。资源优先向同化器官分配可能是草地植物对长期放牧干扰的一种重要适应对策。

中国4种蝙蝠的G-带和C-带

首次报道了中国4种蝙蝠的G-带和C-带核型。大长舌果蝠(Eonycteris spelaea)二倍染色体数目(2n)为36,常染色体臂数(FN)为56;马来假吸血蝠(Megaderma spasma)2n=38,FN=70;黑髯墓蝠(Taphozous melanopogon)2n=42,FN=64;皱唇蝠(Chaerephon plicata)2n=48,FN=54。通过C-带显示,除着丝粒异染色质外,在皱唇蝠的许多染色体臂内和马来假吸血蝠染色体的端粒处也有较多的插入异染色质,大长舌果蝠的基因组中既有臂内异染色质也有端粒异染色质。

Global distribution of Y-chromosome haplogroup C reveals the prehistoric migration routes of African exodus and early settlement in East Asia

The regional distribution of an ancient Y-chromosome haplogroup C-M130 (Hg C) in Asia provides an ideal tool of dissecting prehistoric migration events. We identified 465 Hg C individuals out of 4284 males from 140 East and Southeast Asian populations. We genotyped these Hg C individuals using 12 Y-chromosome biallelic markers and 8 commonly used Y-short tandem repeats (Y-STRs), and performed phylogeographic analysis in combination with the published data. The results show that most of the Hg C subhaplogroups have distinct geographical distribution and have undergone long-time isolation, although Hg C individuals are distributed widely across Eurasia. Furthermore, a general south-to-north and east-to-west cline of Y-STR diversity is observed with the highest diversity in Southeast Asia. The phylogeographic distribution pattern of Hg C supports a single coastal 'Out-of-Africa' route by way of the Indian subcontinent, which eventually led to the early settlement of modern humans in mainland Southeast Asia. The northward expansion of Hg C in East Asia started similar to 40 thousand of years ago (KYA) along the coastline of mainland China and reached Siberia similar to 15 KYA and finally made its way to the Americas. Journal of Human Genetics (2010) 55, 428-435; doi:10.1038/jhg.2010.40; published online 7 May 2010