壳斗目的系统发育研究

本文采用来自三个基因组——叶绿体、线粒体和核基因组的六个DNA序列片段，对壳斗目的系统发育进行了重建，主要探讨了壳斗目八个科的科间系统演化关系及不同基因系统树间存在冲突的原因。在此基础上针对具体问题，进一步选用核光敏色素PHYC基因序列对杨梅科在壳斗目中的系统位置进行了更深入的探讨。在对壳斗目开展大量分子系统学研究的同时，还对胡桃科化香树属Platycarya的花形态发生过程进行了详细的扫描电镜观察，讨论了胡桃科单性花的起源和演化问题。主要内容包括： 1 基于四个叶绿体DNA序列的分析 以金缕梅属Hamamelis 和朴树属Celtis 为外类群，对壳斗目几乎所有属的代表共31种植物的trnL-F、matK、rbcL和atpB 序列进行了测定，通过四个序列单独和联合分析，得到如下结果：除rbcL基因树由于信息位点少而分辨率较低之外，壳斗目各科作为单系类群在各种分析中都得到了较强的bootstrap（BS）支持。壳斗目的八个科分为三支：南青冈科Nothofagaceae是基部分支;壳斗科Fagaceae接着分出;核心高等金缕梅类 (core “higher” hamamelids) 聚为一支, 这三支也都得到了强支持。基于不同序列构建的系统发育树，主要区别在于对核心高等金缕梅类六个科，即第三支内部分支关系分辨的不同。在trnL-F树上核心高等金缕梅类又分成两个亚支，一亚支是木麻黄科Casuarinaceae－(桦木科Betulaceae－核果桦科Ticodendraceae)，另一亚支是杨梅科Myricaceae－(胡桃科Juglandaceae－马尾树科Rhoipteleaceae);matK树上，杨梅科则与前一亚支，即木麻黄科和桦木科聚在了一起;atpB树上杨梅科又成了其他所有核心高等金缕梅类的姐妹群;基于四序列联合分析构建的系统发育树的拓扑结构基本上与matK基因树一致。胡桃科和马尾树科的亲缘关系在对不同序列的分析中都得到了较强的支持，但对杨梅科的聚类，支持率都很弱。 2 基于线粒体matR基因序列的分析 除南青冈科作为其他所有壳斗目类群的姐妹群得到强支持外，其余的壳斗目的科间系统发育关系都未得到很好的分辨。最简约树的严格一致树显示杨梅科和木麻黄科聚在一起得到的BS支持不强，另外桦木科和核果桦科，壳斗科和马尾树科分别聚在一起，但得到的支持都未超过50%。 3 基于核核糖体18S rDNA序列的分析 在18S rRNA基因最简约树的严格一致树上，壳斗目被分为两支，一支由壳斗科和南青冈科组成，另一支由核心高等金缕梅类组成，BS支持率均不高。核心高等金缕梅类又分成两个亚支，桦木科，核果桦科和木麻黄科组成的亚支得到了较强的支持，由胡桃科、马尾树科和杨梅科组成的另一亚支得到了更强的BS支持。胡桃科和桦木科的单系性都得到了分辨，虽然BS支持率不高。 4 六个DNA序列的联合分析 通过对六个DNA序列的单独和联合分析，探讨了引起基因树间拓扑结构冲突的可能原因。分别用MP法、NJ法和贝叶斯推论对壳斗目进行了系统发育重建，联合分析提供了分辨率最好、支持率最高的壳斗目谱系关系图： 1、 南青冈科是壳斗目其余类群的姐妹群;2、各科的单系性得到很好支持;3、壳斗科是核心高等金缕梅类的姐妹群;4、核心高等金缕梅类分为两个亚支，一亚支包含桦木科、核果桦科和木麻黄科;另一亚支由胡桃科、马尾树科和杨梅科组成，杨梅科是胡桃科和马尾树科的姐妹群，这一亚支的BS支持率仍然很弱。胡桃科和壳斗科的属间关系未得到很好分辨，多数分支的BS支持率和后验概率值都不高。 5 基于核PHYC基因序列证据对杨梅科系统位置的分析 用壳斗科的栎属Quercus和南青冈科的南青冈属Nothofagus做外类群，核心高等金缕梅类分为两支。桦木科和木麻黄科聚在一起，胡桃科和马尾树科为姐妹群再与杨梅科构成一支，这两个分支都得到很强的BS支持。核基因分析支持六个序列联合分析对核心高等金缕梅类各科间关系的分辨。 6 化香树的花器官发生 在扫描电镜下系统地研究了柔荑花序类植物化香树的雄花、雌花和两性花的发生和发育过程。结果表明：该植物雄花和两性花中小苞片和花被片缺乏;雄蕊轮状发生，成熟阶段雄蕊的不规则排列是由于花托的延伸且和苞片的基部融合后造成的;雌花中存在环状的花被片结构但极度退化，雌花两侧的小苞片和花被片的侧面部分构成小坚果的翅;化香树的两性花向心发生，雄蕊先发生，然后雌蕊发生。胡桃科中的单性花是由两性花退化而来。 本研究的主要发现和结论如下： 1第一次用来自不同基因组的多个DNA 序列探讨了壳斗目八科的系统发育关系;取样包括了所有科的几乎所有的属;所得到的系统树具有较高的分辨率和置信度。主要结论是壳斗目的八个科分为三支，南青冈科是最基部的分支，壳斗科做为核心高等金缕梅类的姐妹群第二个分出，核心高等金缕梅类聚在一起，并进一步分为两个亚支：第一亚支包括桦木科、核果桦科和木麻黄科;另一亚支则由胡桃科、马尾树科和杨梅科组成，杨梅科是胡桃科和马尾树科的姐妹群。 2用核光敏色素PHYC基因较好的解决了杨梅科的系统位置，尽管造成杨梅科在叶绿体基因树和核基因树上具有不同系统位置的原因尚需要进一步探讨。在PHYC基因树上桦木科和木麻黄科聚在一起，胡桃科和马尾树科为姐妹群再与杨梅科构成一支，这两个分支都得到很强的支持。 3首次在壳斗目植物中用扫描电镜观察到了雄花的发生过程和两性花的发生方式，澄清了在化香树属植物中关于雄蕊排列方式、花被式样、以及果翅来源等问题的疑惑或争论。

分子系统学分析平台的建立和应用

分子系统学建立在实验和计算的基础之上。DNA快速测序技术的普及为分子系统学家提供了大量数据，而序列分析技术则是探索数据发现知识的重要工具。在基因组时代，随着大量模式生物完整基因组序列的获得，分子系统学正面临着前所未有的机遇和挑战。一方面，生命之树计划有助于确定新的模式生物和开展相应的基因组计划;另一方面，模式生物的基因组计划有助于阐明它们之间的进化关系和基因组的进化模式。更为重要的是，分子系统学序列分析技术已经发展成为探索与整合基因组数据的强有力工具，从而在生命科学中发挥重要作用。事实上，分子系统学和基因组学的相互渗透正在形成一门崭新的交叉学科——系统发育基因组学。 为了奠定分子系统学研究中信息管理和数据分析工作的坚实基础，我们建立了分子系统发育分析平台。该平台为研究人员提供专业数据库服务和数据分析技术支持，以及相关的网络资源。 分子系统发育分析平台包括了3个专业数据库。第一个是DNA凭证标本数据库。该数据库中的记录包括了7项字段：英文科名、中文科名、物种拉丁名、采集人、采集号、采集地和采集时间。用户可以通过设定单个或多个字段的取值进行检索。截止2004年6月1日，该数据库共包括3491条标本记录。第二个是引物数据库。PCR引物是分子系统学实验的重要条件之一。该数据库中的记录包括3项字段：引物名称、序列内容和退火温度。用户可以通过设定单个或多个字段的取值进行检索。截止2004年6月1日，该数据库共包括170条用于扩增植物细胞核、叶绿体和线粒体基因组DNA序列的引物记录。第三个是生物计算数据库。该数据库为研究人员提供传输和保存序列分析数据和结果文件的服务。 为了确保数据库的安全性和使用性，我们开发了数据库的接口和检索工具，以及系统管理员和用户资格认证程序。通过前者，使用者可以进行数据的上传、下载、管理和检索等操作。而后者则是对不同使用者身份和权限进行设定。管理员的权限高于用户，主要负责本系统的日常维护和管理工作，以及对新增管理员和用户进行资格认证。 分析技术支持旨在帮助用户快速掌握常用的系统发育分析方法，进行有效的数据分析，从复杂的统计学算法和计算机程序中解放出来，将精力集中于计算结果的生物学解释。在该部分中，我们首先简要介绍了常用的分析方法，并且针对分子系统学中的不同问题提供了相应的解决方案。这些问题包括：系统发育重建、替代速率和分歧时间的估计、祖先分布区的重建、性状进化假说的检验、以及密码子水平适应性进化的检测。我们特别强调了似然比检验和贝叶斯推测作为方法论上的重要进展在分子系统学中所发挥的关键作用。本部分还包括大量常用的分子系统学程序或软件包及其快速使用说明和命令模块。下载安装之后，用户即可按照说明使用命令模块进行数据分析。 此外，该平台还提供了一些常用的网络资源地址，如生物信息中心、分子进化和系统发育实验室、专业期刊和相关数据库等。 最后还给出了4个应用实例，即针对特定分子系统学问题的解决方案和初步的分析结果。 第一个例子说明系统发育重建方法的应用。为了确定杨梅科的系统学位置，对6种DNA序列和叶绿体trnL-F区内的间隔性状进行了分析。单个分析表明这6种序列之间在系统学信息上存在显著差异。叶绿体基因组序列的合并分析强烈支持杨梅科和（木麻黄科，（桦木科，核果桦科））的姐妹群关系，而间隔性状的存在能够充分提高其分辨率和支持率。 第二个例子说明如何推测历史生物地理学过程。我们对壳斗目8科25属植物叶绿体基因组的trnL-F、matK、rbcL和atpB的合并序列进行了最大简约分析，得到唯一的最大简约树。基于该系统树和25属植物的地理分布数据，采用扩散－替代分析方法重建了系统树每个节点上的祖先分布区，推测了壳斗目的分布历史。结果表明，壳斗目的历史生物地理学过程由3次替代事件和20次扩散事件组成。其中最重要的替代事件是由于冈瓦纳大陆和劳亚大陆分离所导致的南青冈科及其姐妹群之间的分化。另外，在壳斗科和核心高等金缕梅类中多次发生从欧亚大陆到北美洲、甚至南美洲的平行扩散事件。 第三个例子说明如何估计分歧时间。我们仍然使用扩散－替代分析中所用的最大简约树作为分析的依据，并根据等级制似然比检验确定的最优替代模型对该系统树的支长进行了最大似然优化。似然比检验表明，该系统树不服从分子钟假说。我们以冈瓦纳大陆和劳亚大陆分离的地质事件和5个属的最早化石记录作为标定点，采用罚分似然法在没有分子钟的条件下估计了壳斗目的科间分歧时间。结果表明，绝大多数科间分歧事件都发生在白垩纪。 第四个例子说明如何检测密码子水平的适应性进化。分支间可变选择压力模型的似然比检验表明SARS冠状病毒的S基因在跨种传播过程中发生了正选择。

唇柱苣苔属及其近缘类群（苦苣苔科）的系统发育研究

中国的苦苣苔科－长蒴苣苔族存在两个古老又难以界定的大属：唇柱苣苔属Chirita和长蒴苣苔属Didymocarpus。唇柱苣苔属至少有140种，其中75％以上的种分布在中国南部。尽管Wood和王文采（中国种）已经作出较为全面的修订，但唇柱苣苔属的界定以及属下再划分仍然存在争议。传统分类一直认为唇柱苣苔属非单系类群，尤其与长蒴苣苔属、小花苣苔属、文采苣苔属以及报春苣苔属等近缘属之间的关系难以确定，还需进一步研究。长蒴苣苔属已经被拆分为三个不同的属，其中的狭义长蒴苣苔在我国有20多种。针对以上问题，本文通过大量的标本研究、野外考察以及分子系统学研究，得出了一些初步的结果。 形态学 通过大量的标本观察及野外考察，发现唇柱苣苔属及其近缘类群营养性状变异非常复杂。然而，营养体变异受环境饰变大，不适合作为划分组和属等较高级分类单元的主要依据，是区分近缘种的主要分类依据。在生殖器官中，一些性状，如子房和蒴果形状和大小，在唇柱苣苔属和其近缘属中存在大量的过渡类型，不宜将单独或2－3个性状作为主要分类依据。同时笔者发现两个新种，即长萼唇柱苣苔（C. longicalyx J. M. Li & Y. Z. Wang）和匍匐唇柱苣苔（C. prostrata J. M. Li & Y. Z. Wang）。匍匐唇柱苣苔属于钩序唇柱苣苔组，系多年生植物，致使我们国家分布的钩序唇柱苣苔组扩大为两种。它的特殊习性以及极其有限的分布区表明，它是一个在不利的生境下偶尔幸存的残遗种。 2．分子系统学 首先通过对两个DNA片段ITS和trnL-F数据以及它们的联合数据进行最简约分析和贝叶斯分析，并结合形态特征演化来研究唇柱苣苔属唇柱苣苔组和小花苣苔属系统发育关系。结果表明，小花苣苔属和唇柱苣苔组（唇柱苣苔属）Chirita sect. Gibbosaccus构成一个单系群，强烈支持小花苣苔属归并到唇柱苣苔组（唇柱苣苔属）中，而且二者形态性状极其相似。上述事实说明唇柱苣苔组（唇柱苣苔属）和小花苣苔属具有很近的亲缘关系，而与麻叶唇柱苣苔组Chirita sect. Chirita关系较远。研究一些关键地区植物的物种形成，将提高对这些地区植物区系发生与发展的认识，喀斯特地区就是这样一个非常独特与关键的地区。特产于这种干湿交替、温度变化显著的特殊生境里的的类群，如唇柱苣苔组和小花苣苔属，存在着非常近的系统发育关系。最后笔者建议把小花苣苔属置于唇柱苣苔属唇柱苣苔组里，而不是将该属单立出来。 在上述研究基础上，本研究进一步选择唇柱苣苔属的其他近缘属，通过对两个DNA片段ITS和trnL-F数据以及联合数据进行最简约分析，旨在揭示在唇柱苣苔属内的系统发育及其和周边近缘属系统发育关系。该研究结果表明狭义长蒴苣苔属、朱红苣苔属、报春苣苔属、文采苣苔属以及小花苣苔属都置入唇柱苣苔属内。其中，报春苣苔属、文采苣苔属以及小花苣苔属和唇柱苣苔组具有相似的柱头，在系统树上，也构成一个单系分支。虽然许多学者认为柱头形状是很重要的分类性状，也是唯一用来界定唇柱苣苔属的，但是非常不可靠的，因而唇柱苣苔属至少分成两个属。 文采苣苔属和小花苣苔属无论从分子上还是从形态上都得不到证明是单系类群，应该归并到唇柱苣苔属中;而报春苣苔属很可能是最近从唇柱苣苔组里分化出来的类群。 东南长蒴苣苔和朱红苣苔属植物形态十分相似，除了营养体差别不大外，他们还具伸出花筒外的柱头和小而尖的花冠裂片等共同特征，分子树上也组成一个单系，为东南长蒴苣苔归并到朱红苣苔属提供了强有力的分子证据。 在狭义长蒴苣苔属Didymocarpus s. str.两个组中，Didymocarpus sect. Elati的一个种D. citrinus与长蒴苣苔组Didymocarpus sect. Didymocarpus构成姐妹群关系。二组植物构成一个单系分支又与圆唇苣苔属Gyrocheilos构成姐妹群关系。因此，虽然我们的数据支持圆唇苣苔属与长蒴苣苔属近缘，但是不支持圆唇苣苔属作为一个亚组放在长蒴苣苔里。