松属植物rRNA基因的变异模式及其进化生物学意义

被子植物的rRNA基因已经得到深入研究。二倍体被子植物一般拥有1-4对18S-5.8S-26S rDNA位点和1-2对5S rDNA位点。作为特殊的多基因家族成员，rDNA会受均一化力 (homogenizing forces) 的作用，通过基因转换、不等交换等机制，形成基因的致同进化 (concerted evolution)。长期以来，我们一直认为动植物rDNA致同进化水平很高，各种拷贝的序列几乎完全一致，因此可以直接应用PCR测序的方法进行分子系统学研究。但是在裸子植物中由于研究资料的匮乏，使我们对裸子植物rDNA的变异模式了解甚少。松属植物作为裸子植物的最大类群，它的rDNA变异和进化有何特点、与被子植物是否相同，是这个重要类群的进化研究中目前尚未解决的问题。本文的研究内容从三个方面进行： (1)rDNA的染色体定位 目前，松属的18S-5.8S-26S rDNA的染色体定位研究只包括5种植物，其中的3种同时涉及到5S rDNA定位。这些研究结果表明，不同种存在相异的rDNA位点数目，甚至不同的个体的rDNA位点均有变化。其共同点是，18S-5.8S-26S rDNA位点数平均较被子植物多，5S rDNA除Pinus radiata外，在其它种里则与被子植物相似。这种现象是松属或裸子植物的共同特征，亦或是特例呢？有限的研究限制了对裸子植物rDNA的了解。本研究的目的之一就是研究松属植物rDNA的染色体空间分布特征，希望借此了解松属植物间的关系，比较裸子植物和被子植物rDNA在染色体组水平的差异。 (2)5S rDNA的分子进化 5S rDNA的序列水平的进化研究在松属中尚属空白。5S rDNA在染色体数目上没有显示裸子植物与被子植物的差异，是否意味着松属乃至裸子植物的5S rDNA也同被子植物一样——致同进化完全，序列高度一致呢？利用克隆测序方法对松属植物5S rDNA的研究无疑是有开创性的工作，可以探讨裸子植物的5S rDNA的进化机制和种间关系。 (3)杂种基因组研究 杂交物种的起源演化是当前生物学研究的热点，通过杂种基因组的研究，可以了解杂种的的基因组构成，组织方式和进化历史，探讨杂交事件对成种过程的影响及意义。这项研究涉及到高山松、云南松和油松。之所以采用这三种植物，因为等位酶、cpDNA和mtDNA证据证明高山松为油松和云南松的自然杂交种。但这些证据不足以反映杂种核基因组的重组特征和构成及其进化规律。我们利用rDNA-FISH、5S rDNA和基因组原位杂交分析三种松树间的基因组关系，为揭示高山松的进化机制和历史提供新的依据。 本项研究得到以下结果： 一. rDNA荧光原位杂交 (FISH) 通过对华山松和白皮松两种单维管束亚属植物及油松、云南松、高山松、马尾松和南亚松等五种双维管束亚属植物的18S rDNA与5S rDNA的荧光原位杂交，结果表明： ⑴ 裸子植物的18S rDNA位点数目明显多于二倍体被子植物。其中主要位点数目，油松有7对，高山松5对，云南松8对，马尾松10对，南亚松6对，白皮松3对，华山松10对，平均在7对;另外，部分松树还存在弱位点。无论强弱位点都有部分存在于染色体的着丝粒区，除了赤松 (Pinus densiflora)，在其它松科植物中并没有发现这种现象。究竟是基因转移的结果或该位点是18S rDNA的原始起源位置还有待确证。 ⑵ 5S rDNA位点相对变异较小，与被子植物相当。除了华山松5S rDNA有4对位点，马尾松只有1对位点外，其它松树的5S rDNA位点数目均为2对，并且在双维管束亚属植物中有一对属于弱位点。 ⑶ 两种rDNA存在不同连锁模式。双维管束亚属植物中，5S与18S rDNA连锁在同一染色体的同一臂或两条臂上。在同一染色体臂时，18S rDNA在臂的远端。单维管束亚属植物的5S与18S rDNA或连锁于同一染色体的同一臂上，或分别处于不同染色体。前一情况，5S rDNA位于臂的远端。据此可以说明两个亚属的rDNA结构在染色体组水平的很大分化。 ⑷ 松属植物的关系及高山松核型特征。由于5S与18S rDNA连锁关系的不同，可以将单维管束亚属和双维管束亚属分开。各亚属的不同物种可以依据杂交位点的多少、位置、信号强弱构成的核型图加以区分，并且构成一定的系统关系。杂交起源的高山松在染色体组上，表现出对油松和云南松两亲本不同染色体特征的分别继承与重组，并产生独有的特征。其II同源染色体之一18S rDNA位点的缺失，可能是染色体重组的痕迹。 二. 5S rDNA的序列变异与分子进化 利用分子克隆和DNA测序分析了油松、云南松、马尾松、白皮松和不同遗传背景的高山松居群的5S rRNA基因序列变异及基因进化规律，得到以下主要结果： ⑴ 5S rDNA的结构特征。双维管束亚属植物长度在658-728 bp，白皮松则为499-521 bp。长度差异体现在基因间隔区，而基因区极端保守，基本为120 bp。基因转录区内部存在着转录控制区，决定了5S rRNA的转录起始与转录效率。5S rRNA基因能够折叠成正常的二级结构，其中，相对于干区来说，环区要保守，但环E却表现出异乎寻常的变异，转换/颠换比值高达7.1，这种突变可能是假基因的产物。基因间隔区存在一定的保守单元，其中一些与转录的起始和终止调控相关，有些是裸子植物未知功能的特异保守区。 ⑵ 松属植物5S rDNA存在着基因组内与种间的异质性。基因组内的各个克隆中有超过80%的特异的，彼此不相同。整个5S rDNA分化距离为0.042 - 0.051，其中，间隔区的分化比基因区高，其速度约是基因区的3-7倍。比较种间5S rDNA序列发现：在122个克隆中，基因区只有50个特异的序列。基因组间的序列变异度与基因组内 (个体内) 没有明显差别。白皮松的间隔区与双维管束亚属松树的5S rDNA间隔区差异极大，几乎不能排序，而四种双维管束亚属植物的5S rDNA间隔区种间种内差异不大。 ⑶ 松属植物5S rDNA进化。PAUP分析建立的5S rRNA基因树显示，5S rRNA基因在基因组内是多系的 (polyphyletic)，表明成种事件以前，祖先种就已经存在序列的分化。观测到的5S rRNA基因序列变异状况，并非完全是致同进化或独立进化的单一因素造成的，而是二者的相互作用的结果。致同进化确实存在，只是速度较慢而已。 ⑷ 高山松5S rDNA 组成。高山松拥有最高的基因组内的序列多样性，高山松的5S rDNA拷贝既有亲本类型，又有重组类型，并且不同地理及遗传来源的高山松显示一定的分化趋势，有更多的拷贝来自母系亲本。 三. 基因组原位杂交 以油松和云南松总DNA作为探针，相互进行基因组原位杂交，结果显示云南松和油松的染色体组可以完全被对方探针标记，在现有基因组原位杂交的分辨率下不能将两个基因组区分开。说明云南松和油松基因组之间存在高比例的同源序列，两种松树的基因组组成十分相似。利用油松和云南松总DNA作为探针，对高山松的染色体组进行双探针基因组原位杂交。结果表明，高山松全部基因组都能与两亲本探针完全杂交，说明三者间有着异乎寻常的亲缘关系。但在PH失调影响下，高山松只有部分基因组被杂交，并且两种探针的杂交信号有轻微差异。这可能是高度重复序列优先杂交的结果。这些情况表明，高山松虽然在基因组构成上与两个亲本基本一致，但基因在染色体组的空间排布上是存在差异的，这一点可以从rDNA-FISH中证明。

高山松的群体历史及其适应性进化研究

物种形成一直以来是进化生物学的一个中心议题。因为杂交能够快速创造出新的遗传变异和提高基因组重组率，加速物种形成和适应性进化，所以杂交物种形成是其重要的组成部分。但是直到最近几年，人们才逐渐意识到同倍体杂种形成的重要性和普遍性。此外，人工杂交种群结果证实了杂种的适应性起源于亲本基因的超亲分离现象，这些基因之间通过加和效应或上位效应相互连锁，并在杂种后代中逐渐固定，因此，探讨维持这种适应机制的杂种的连锁不平衡模式就显得尤为重要。到目前为止，关于自然杂种的核苷酸多态性和连锁不平衡结构的报道非常稀见，对杂种的进化历史知之更少。高山松能生长于亲本种不能正常繁殖生长的青藏高原上，这种极端环境为杂种的适应性进化和与亲本的生态隔离造就了绝佳的条件，其生态和生殖的稳定性极大地方便了我们研究植物物种形成和适应性进化的遗传机理，对高山松开展的生态学、遗传学的系列分析已使高山松成为同倍体杂种形成的经典范例。 该论文通过随机挑选7个核基因位点对5个高山松群体、3个油松群体和3个云南松群体的164个大配子体单倍体基因组进行了核苷酸多态性分析。研究发现：所有基因座位的单倍型组成和基因谱系的拓扑结构都支持高山松的多次杂交起源。高山松的平均核苷酸多态性与油松相当，θW达到0.0107;比云南松高出一倍;高于已报道的裸子植物类群遗传变异水平。高山松如此高的遗传多态性与其杂交特性和有效群体大有关。我们运用分子钟和共祖模拟分析，推测出高山松的有效群体为7.32 x 105。等位基因共祖时间模拟分析发现，杂交过程早于青藏高原的隆升，也即是说，在杂种稳定成种以前，两个亲本种之间存在广泛的渐渗杂交。此外，高山松杂种的群体间分化严重，并且在不同的群体中，我们找到了多个偏离中性的基因座位。由此说明，高山松复杂的进化历史和适应的策略区域化。 在显著偏离中性的基因座位上，选取群体历史清晰的高山松群体，对其全基因序列多态性和连锁不平衡结构进行了深入调查，以期找到选择作用位点或区域。Ara-like和Dhn1两个基因在高山松与亲本之间都没有发现固定变异。在高山松中，Ara-like基因和Dhn1基因核苷酸多态性式样和连锁不平衡结构存在明显差异，这说明在两个基因上选择作用的程度和方向不尽相同。 我们对Dhn1基因的多态性分布、LD结构和中性偏离水平进行了分析，结果表明，该基因可能在PdNX和PdLZ群体中受到平衡选择的作用。从Dhn1基因谱系结构可以看出有两种来源的等位基因造成这种平衡多态性，一种属于祖先类型，另一种是从云南松继承衍生而来。这两种等位基因之间的分化很大，极有可能造成编码蛋白的亚功能化。事实上，Dhn1编码的脱水蛋白在植物对环境的抗逆过程中发挥着重要作用。由此我们推测高山松在高海拔极端环境中的适应性进化与Dhn1基因的平衡作用有关。 对Ara-like和Dhn1基因进行HKA检测，结果表明，与Dhn1基因相比，在Ara-like基因上，双维管束亚属与单维管束亚属之间存在显著分化，沉默突变位点的分化Ksil达到了0.1392，远远高于平均水平0.0508;在双维管束亚属共发现了43个固定突变位点，其中有6个能导致氨基酸突变，它们有可能导致了Ara-like基因功能的分化。结合裸子植物近缘物种间共享多态性的普遍性，我们推测Ara-like基因可能在单维管束亚属中的进化速率加快，暗示其在单维管束亚属中的适应性进化。 最后，基因内连锁不平衡分析结果显示，随机筛选的基因座位之间不存在连锁不平衡。高山松平均的基因内LD程度非常低，仅有18%的信息位点之间显著连锁。平均基因内LD在油松和高山松中的衰减速率很快，尤其在杂种中下降最快，在不到200bp以内就降到0.1以下。 LD的结果印证了高山松的有效群体大和多次起源特性。另外，我们也怀疑杂交物种形成过程中染色体组的重组和重排频繁发生，也是造成自然杂种现有群体的LD水平低的一个主要原因。 通过LD衰减曲线估计高山松的平均单位重组率,比亲本油松高17倍，比云南松高45倍。这个结果表明，杂种共适应的基因间要维持超亲分离，需要强烈的自然选择压力，才能保持它们之间的连锁不平衡。