（植物学专业论文）猕猴桃属植物的自然杂交与进化.pdf

摘要 猕猴桃属是典型的叶绿体父性遗传、线粒体母性遗传的木本雌雄异株植物。该属在 a p g 系统中隶属杜鹃花目猕猴桃科，与藤山柳属和水东哥属近缘。约有6 0 种，属于东 亚特有分布，除了少数3 4 个之外，均分布于我国。在人工条件下可以对形态差异较大 的种类进行人工杂交，并产生可育后代。由于该属许多种之间形态性状重叠，被认为存 在大量的自然杂交，分子系统学研究支持该属存在是网状进化，但杂交种的父母本并没 有得到最终证实。该属植物还存在种内多倍化现象，染色体基数为2 9 ，曾被推断为古多 倍体，给杂交种是否为异源多倍体杂交的判断带来技术上的困难。探讨猕猴桃属的自然 杂交和进化，不仅有助于解决系统学上长期存在的疑难问题，揭示类群间的系统发育关 系，而且可以检验杂种式物种形成假说，逐渐形成对木本雌雄异株植物自然杂交模式和 进化后果的深入理解。 本研究通过测定来自猕猴桃属植物的不同类型的基因组( 叶绿体基因组、线粒体基 因组、核基因组) 不同基因序列( n r d n ai t s ，n d n ac a m ，e p d n at r n l em t d n a n a d l e x o n b ci n t r o n1 1 ) ，构建猕猴桃属的系统发育关系，采用系统发育不一致分析、双亲 遗传分析、亲本排除等方法，对猕猴桃属植物的自然杂交与进化进行了系统的研究。主 要结果如下： ( 1 ) 猕猴桃属的最基部分支为净果组成员，为并系关系；斑果组、糙毛组和星毛 组共同构成一个单系类群，但各自为复系类群。支持“现行分类系统所划分的四个组没 有一个是单系类群”的观点； ( 2 ) 在猕猴桃属线粒体d n an a d l e x o n b c 的内含子序列中发现7 个变异位点，可 将猕猴桃属区分为1 3 种单倍型，比c h a te ta 1 ( 2 0 0 4 ) 多发现6 个变异位点和5 种单倍型。 提供了浙江猕猴桃、繁花猕猴桃和安息香猕猴桃等3 种系统发育不一致的证据； ( 3 ) 新发现两个自然杂交种江西猕猴桃、两广猕猴桃，并找到它们的亲本： 提供了另外4 个杂交种( 安息香猕猴桃、浙江猕猴桃、漓江猕猴桃、繁花猕猴桃) 父母 本的证据。不支持梅叶猕猴桃、大籽猕猴桃、团叶猕猴桃和山梨猕猴桃的杂种起源。对 黑蕊猕猴桃、绿果猕猴桃、网脉猕猴桃、桂林猕猴桃、棕毛毛花猕猴桃、湖北猕猴桃、 毛叶硬齿猕猴桃的起源进行了讨论； ( 4 ) 猕猴桃属植物钙调蛋白( c a m ) 基因的内含子近5 端发现有微卫星存在。外 显子分析揭示该基因的进化受负选择影响。序列分析表明，早在猕猴桃属与藤山柳属分 开之前，c a m 基因就已经分化为至少4 个亚家族； ( 5 ) 猕猴桃属是具有高频率自然杂交的类群，其雌雄异株的繁育系统和独特的遗 传方式使得该属不仅可以通过自然杂交产生新种，还可能通过对三个基因组成分的重组 来丰富其遗传多样性。 关键词：猕猴桃属系统发育不一致自然杂交网状进化 a b s t r a c t a c t i n i d i al i n d l ，af l o w e r i n gp l a n tg e n u st h a tc o n s i s t so fa b o u t6 0s p e c i e s ，i sw e l l d o c u m e n t e df o ri t sp a t e r n a lm o d eo fc h l o r o p l a s ti n h e r i t a n c ea n di t sm a t e m a lm o d eo f m i t o c h o n d r i a li n h e r i t a n c e i tb e l o n g st ot h ef a m i l ya e t i n i d i a c e a eo ft h ee r i c a l e ss e n s u a n g i o s p e r mp h y l o g e n yg r o u p ( a p g ) c l a s s i f i c a t i o n ( 1 9 9 8 ，2 0 0 2 ) ，t o g e t h e rw i t ht h eg e n e r a c l e m a t o c l e t h r aa n ds a u r a u i a i to c c u ri na s i aw i mam a i nc e n t e ro fd i v e r s i t yi n s o u t h w e s t e mc h i n a a l lm e m b e r so ft h ea c t i n i d i ag e n u sa r cp e r e n n i a lc l i m b i n go rs t r a g g l i n g p l a n t sa n d a l la p p e a rt ob ef u n c t i o n a l l yd i o e c i o u s a l lt h ea v a i l a b l ec y t o g e n e t i cd a t as u g g e s t s ab a s ec h r o m o s o m en u m b e ro fx = 2 9f o rt h eg e n u s 。i nt h es e c t i o n sl e i o c a r p a ea n ds t e l l a t a e ， s a m es p e c i e sc a np r o s e s so ft h r e ef o r m s ，i e d i p l o i d ，t e t r a p l o i da n dh e x a p l o i d h e n c e ，t h e g e n u sw a ss p e c u l a t e da sp a l e o p o l y p l o i d y t h ef a c tb r i n g st h ed i f f i c u l t yt od e t e r m i n ew h e t h e r o rn o to n es p e c i e si sa l l o p o l y p o i d i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，s y n t h e t i ch y b r i d sb e t w e e n t h ed i s t i n c ts p e c i e sc a ne a s i l yo b t a i n n e d t h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r so fs o m et a x aa r e o v e r l a p p e dw i t ho t h e rs p e c i e s h e n c e ，t h e ya r ei n f e r r e da sn a t u r a lh y b r i d s m o l e c u l a rd a t a i n d i c a t e dt h ee x i s t e n c eo fr e t i c u l a t ee v o l u t i o ni na c t i n i d i a h o w e v e r , d e f t n i t i v ee v i d e n c e so f t h em a l ep a r e n t sa n df e m a l ep a r e n t so ft h e ma l el a c k i n g n o to n l yc a ni n v e s t i g a t i o no f m o l e c u l a rp h y l o g e n ya n de v o l u t i o no f a c t i n i d i ar e s o l v et h et a x o n o m i ci s s u e sf o ru n c o v e r i n g t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ed i f f e r e n tg r o u p s ，b u ta l s ot e s tt h eh y b r i dd e r i v a t i v eh y p o t h e s ef o r u n d e r s t a n d i n gt h ep a t t e r n sa n dc o n s e q u e n c e so fn a t u r a lh y b r i d i z a t i o ni nt h ew o o d yd i o e c i o u s p l a n t s i nt h i ss t u d y ，f o u rd i f f e r e n tg e n e s ( n r d n ai t s ，n d n ac a m ，c p d n at r n l - f , a n d m t d n an a d l e x o n b ci n t r o n f r o m3g e n o m e s ( n u c l e a rg e n o m e ，c h l o r o p l a s tg e n o m e ，a n d m i t o c h o n d r i a lg e n o m e ) a r es e q u e n c e df o rt e s t i n gt h eh y p o t h e s i so fn a t u r mh y b r i d i z a t i o n t h e m a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 p h y l o g c n c t i cr e l a t i o n s h i p so f a c t i n i d i as p e c i e sa r cr e c o n s t r u c t e db a s e do nt h em o l e c u l a r d a t a t h er e s u l t ss u p p o r tt h ev i e w p o i n ts u g g e s t e db yt h ep r e v i o u sm o l e c u l a rs t u d i e dt h a t n o n eo ft h ec u r r e n t l yr e c o g n i z e ds e c t i o n si sm o n o p h y l e t i c c o m p a r e dw i t hc o n g r u e n c ea n d i n c o n g r u e n c ea m o n gt h ed i f f e r e n tp h y l o g e n e t i cl l e e s ，f a n d m e n t a lc l a d i s t i cs t r u c t u r ew h i c h f a c i l i t a t e df u r t h e rt a x o n o m i cr e v e r s i o no f a c t i n 硼ai so b t a i n e d 2 c a u s eo fp h y l o g e n e t i ci n c o n g r c n c eb e t w g e nc p d n aa n dm t d n aa r ea n a l y s e d ，a n da l l p o s s i b l ep a r e n t so fp u t a t i v eh y b r i d sa r ec o n f i r m e d t h ec o m p l e t es e q u e n c e so fi n t r o n b e t w e e ng x o nba n de x o nco f m t d n a n a d la r ea l i g n e d n u e l e o t i d ev a r i a t i o n so f o t h e rs i x i m p o r t a n tl o c ia r ef o u n di nt h i ss t u d y a l ln a d l b ci n t r o ni is e q u e n c e so f a c t i n i d i as p e c i e s c a nb ed i v i d e di n t o1 3h a p l o t y p e s b a s e do nt h e s ed a t a , p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p so f t h e s e m i t o t y p e s a r ec o n s t r u c t e d h e r e ，t h ee v i d e n c e so fp h y l o g e n e t i ci n c o n g r e n c ef o ra s t y r a c i f o l i a , a ，z h e j i a n g e n s 纽a n da p e r s i c i n aa r ep r o v i d e d 3 a n a l y s e dt h es e q u e n c e so fi t s ，an r d n ar e g i o ni n h e r i t e df r o mb o t hp a r e n t s ，s o m e i m p o s s i b l ep a r e n t sa r ee x c l u d e d t w oe v e n t so fh y b d ds p e c i a t i o ni nn a t u r ea r ed o c u m e n t e d f o rt h ef i r s tt i m e m a l ea n df e m a l ep a r e n t so f6n a t u r a lh y b r i d s ( i e a f i a n g x i e n s i s , a 1 i a n g g u a n g e n s i s , a s t y r a c i f o l i a , a z h e j i a n g e n s i s , a 1 i j i a n g e n s i s , a n da ，p e r s i c i n a ) a r e i d e n t i f i e d t h ei t ss e q u e n c e sd o n ts u p p o r th y b r i dd e r i v a t i v eh y p o t h e s eo fl ie ta 1 ( 2 0 0 2 ) a n dc h a te ta 1 ( 2 0 0 4 ) f o ra g l a u c o p h y l l av a lr o t u n d a ，a m a c r o s p e r m a v a r m a c r o s p e r m a ， a m a c r o s p e r m av a r m u m o i d e s ，a n da t u f a e v o l u t i o no fo t h e rp u t a t i v eh y b r i d sn e a m e l a n a n d r a ，a d e l i c i o s av a r c h l o r o c a r p a ，a c y l i n d r i c av a r r e t i c u l a t a ，ac a l l o s av a t s t r i g i l l o s a ，a g u i l i n e n s 衄a e r i a n t h av a r b r u n e a , a h u b e i e n s i s ) i sd i s c u s s e d 4 e v o l u t i o no fp a r a l o gg e n e sa n do r t h o l o gg e n e so fc a l m o d u l i n ( c a m ) g e n e si na c t i n i d i a a n dc l e m a t o c l e t h r aa r ei n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y a sag e n e se n c o d i n gc a l m o d u l i nw h i c h i sa ne f - h a n dp r o t e i nt h a tc o n t a i n sf o u rc a l c i u m - b i n d i n gd o m a i n s ，c a mg e n e sr e g u l a t ea m u l t i t u d eo fd i f f e r e n tp r o t e i nt a r g e t s ，t h e r e b ya f f e c t i n gm a n yd i f f e r e n tc e l l u l a rf u n c t i o n s 1 l l et r e et o p o l o g i e sp r o d u c e db yt h ed i f f e r e n tm e t h o d s ( n j ，m p , m la n db 1 ) r e v e a l e dt h e s 仃o n gi d e n t i t yo fa l lt h e s ec a mg e n e sw i t hm o s to t h e ra n g i o s p e r mc a m s ( g r o u pi ) a n dt h e l l i g hs e q u e n c es i m i l a r i t yw i t hs a l v i am i l t i o r r h i z a n 圯m i c r o s a t e l l i t e sf o u n di n5 r e g i o no f c a mg e n e si na c f i n i d i aa n dc l e m a t o c l e t h r a n 圮r a t i oo fs y n o n y m o u sa n d n o n s y n o n y m o n s s u b s t i t u t i o n s ( k a 依s ) s u g g e s t e di n t e n s ep u r i f y i n gs e l e c t i o nf o rc a mg e n ei nk i w i f r u i t s t h e s a m p l e so fa c t i n i d i a c e a e ，i n c l u d i n gc l e m a t o c l e t h r a ，f o r m e dam o n o p h y l ya n ds e p a r a t e da t l e a s tf o u rd i s t i n c ts u b f a m i l i e s ，d e s i g n a t e dh e r ea ss f a , s f b ，s f ca n ds f d e ，i nt h e 蝴l y s e so fc o m b i n e de x o n sa n di n t r o ns e q u e n c e s i tc o u l db ei n f e r r e dt h ee x i s t e n c eo f m u l t i p l es u b f a m i l i e so f c a mg e n eb e f o r e t h ed i v e r g e n c eo f a c t i n i d i aa n dc l e m a t o d e t h r a ， 5 t h ec o n s e q u e n c ea n dt h er o l eo n 吖o l u t i o no f n a t u r a lh y b r i d i z a t i o ni na c t i n i d i ai sd i s s e u s e d w i t ht h es p e c i f i cg e n e t i cm o d e s ，i e t h ec o n t r a s t i n gm o d eo fi n h e r i t a n c eo fi t sp l a s t i d sa n d m i t o c h o n d r i a , n a t u r a lh y b r i d i z a t i o ni na c t i n i d i ac a nn o to n l yc r e a t en e ws p e c i e st o f a c i l i t a t et h ed i v e r g e n c eo ft h i sg e n u s ，b u ta l s or e c o m b i n et h ed i f f e r e n tg e n o m e st o e f f e c t i v e l yc o n s e r v et h ed i v e r i s i t yo f a c t i n i d i a k e yw o l d s ：a c t i n i d i a ，n a t u r a lh y b r i d i z a t i o n ，p h y l o g e n e t i ci n c o n g r e n c e ，r e t i c u l a t ee v o l u t i o n 复旦大学博士后研究工作报告 第一章概述 在生物进化的过程中，自然杂交的存在是非常重要的现象和客观事实，但在动、植 物的进化研究中对其却有着明显不同的见解。难怪s t e b b i n s ( 1 9 6 3 ) 就指出，杂交已经成 为整个进化研究领域最有争议的主题。自然杂交是一个潜在的创造过程，还是进化过程 的“噪音”，历来都是争论的焦点。 1 1 自然杂交的意义和概念 对植物自然杂交的科学调查至少可以追溯到林奈时期。林奈的物种概念和他的分类 系统，就是基于物种是繁育隔离的。他成功地对不同物种进行杂交，并进一步提出了通 过杂交物种形成的模式( l i n n d ，1 7 7 4 ，转引自a r n o l d , t 9 9 7 ) 。达尔文( 1 8 5 9 ) 也曾通过试验 数据推算自然交配的代价。和林奈不同的是，达尔文观察到不同种之间的杂交难以获得， 即便是获得了其后代通常是不育的。因而他得出这样一个结论，自然条件下形成可育杂 种远较人- r - 孕l l 化的要难得多( d a r w i n ，1 9 5 9 ) 。l o t s y ( 1 9 1 6 ，1 9 3 1 ) 的研究也堪称经典。他认 为自然杂交是进化上发生变异的主要机制。他特别强调新分类群的产生是来源于频繁杂 交群不同个体的杂交。这一观点得到了后来学者的普遍支持，承认自然杂交是普遍深入 的、重要的过程( a n d e r s o n & h u b r i c h t ，1 9 3 8 ；a n d e r s o n ，1 9 4 9 ；h e i s e r , 1 9 4 9 ；g r a n t , 1 9 5 3 ； a n d e r s o n & s t e b b i n s ，1 9 5 4 ，转引自a r n o l d ，1 9 9 7 ) 。他们提供了大量证据，如在很多植物 类型中自然杂交大量出现，新的杂交种和新的适应型产生了进化上具有重要意义的影响 ( 转引自a r n o l d ，1 9 9 7 ) 。但是在动物方面的研究却是另一种情形，动物学家支持这样一个 观点，即由于杂种几乎不产生或很少产生可育的后代，杂交是不适应的( d o b z h a n s k y , 1 9 3 7 ；m a y r , 1 9 4 2 ) ，杂交被看作是一个导致生殖隔离形成的过程，自然杂交的作用对于 理解物种形成的过程具有重要意义。这一观点集中体现在生物学种( t h eb i o l o g i c a l s p e c i c e sc o n c e p t , 简称b s c ) 的概念( d o b z h a n s k y , 1 9 3 7 ；m a y r , 1 9 4 2 ) 之中，并在后来动物 方面自然杂交的定向过程研究的主要范例中得到发展( 如b a r t o n & h e w i t ，1 9 8 5 ；h a r r i s o n , 1 9 8 6 ；v a n l e r b e r g h e e t a l ，1 9 8 6 ；b a k e r e t a l ，1 9 8 9 等) 。自然杂交如此重要，但在动植物研 究中对其了解却是明显不同。难怪s t e b b i n s ( 1 9 6 3 ) 就指出，杂交已经成为整个进化研究 领域最有争议的主题。 关于自然杂交的理解，h a r r i s i o n ( 1 9 9 3 ) 曾对过去文献中“杂交”这一科学术语的定 义进行了比较和讨论，认为这些概念均涉及繁殖个体的分化水平，并给出新的理解，杂 交应该包括在遗传上不同个体之间或来自不同种不同个体之间的杂交。同种不同个体的 肄囊桃属植物的自然杂交与进化 杂交普遍应用于动植物育种研究之中，而来自不同种不同个体之间的杂交则为进化生物 学家所青睐。h a i t i s o n ( 1 9 9 0 ) 给出的定义限定了杂交是指基于某个或多个遗传性状明显 不同的两个居群或多个居群之间的杂交。a r n o l d ( 1 9 9 7 ) 采用了h a r r i s o n 的杂交定义并进 行了补充，他认为自然杂交不能是人工条件下的杂交，它必须是在自然条件下发生的； 其次必须考虑杂交后代成活的程度和是否可育；尽管g r a m ( 1 9 6 3 ) 曾强调几乎所有的自 然杂交，其后代很少可育，但这个观点忽视了后代可育这样稀有的事件在进化中的重要 性，也与看上去不可能的杂交事件会导致物种分化产生的事实相矛盾。综合上述考虑， a r n o l d 给出一个清晰的自然杂交的定义： 自然杂交是指在自然条件下，来自基于某一或多个可遗传的性状可以明显区分的两 个或多个居群的不同个体之间的成功杂交( n a t u r a lh y b r i d i z a t i o ni n v o l v e s s u c c e s s f u l m a t i n g si nn a t u r eb e t w e e ni n d i v i d u a l sf r o mt w op o p u l a t i o n s ，o rg r o u p so fp o p u l a t i o n s ，w h i c h a r ed i s t i n g u i s h a b l eo nt h eb a s i so f o n eo rm o r eh e r i t a b l ec h a r a c t e r s ) ( a m o l c l , 1 9 9 7 ) 。 除了自然杂交这个科学术语，一些文献中还频繁使用网状进化( r e t i c u l a t i o n e v o l u t i o n ) 、网状事件( r e t i c u l a t ee v e n t s ) 、网状成种( r e t i c u l a t i o n ) 和杂种物种形成( h y b r i d s p e c i a t i o n ) 等术语。在本研究中除了采用自然杂交之外，也会用到这些术语，因此需要 对这些术语给出必要的解释和说明。从系统发育的角度考虑，一般的进化树所给出的物 种( 或分类群) 的关系是二叉分歧的。但由于自然条件下存在杂交现象，杂交种与亲本 种之自j 的关系从本质上就构成了与二叉分歧不同的网状形式，这种进化就是网状进化。 导致网状进化的事件，就是网状事件，因杂交而导致产生新物种的方式就是网状成种或 杂交式物种形成。这些术语可以互相通用，反映了分化个体之间的杂交可以导致可进行 杂交的居群遗传上、生态上、行为上或其它方面的改变。 1 2 自然杂交的方式与频率 自然杂交是高等植物基因组进化和新物种形成的主要动力之一。植物自然杂交与进 化的关系一直也是进化生物学上有争议的热点问题。一种观点认为，由于种间杂种在适 合度m e s s ) 上的普遍劣势，杂交阻碍了进化；另一种观点则认为，杂交可以综合亲本种 的适应性或创造出新的适应性，丰富基因库、拓宽生境，进而促进基因组进化和新种形 成。杂种物种形成是可以发生在植物中的同域物种形成( s y m p a t r i cs p e c i a t i o n ) 的典型代 表。自然条件下的远缘杂交可能是不成活或不育的，但可成活远缘杂种从其最终命运看 有3 种主要方式：形成多倍体，同倍体重组和渐渗杂交( i n t r o g r e s s i v eh y b r i d i z a t i o n ) 。 由于来自不同物种的配对染色体在减数分裂时无法正常分离，通常种间杂交种是不 育的。但在多倍体中，这种情况就可以通过染色体的加倍而达到可育。每个染色体对在 减数分裂时包含来自一个物种的两个染色体，正常的分离就可以得到保证。在育种方面， 复旦大学博士后研究工作报告 可以采用秋水仙碱类化学物质刺激实现染色体加倍，获得人工杂交种，许多时尚花卉如 郁金香和兰花的新品种就是通过人工杂交获得的。但在自然的条件下，这种物种形成的 频率还是很低的。多倍体杂种彼此之间杂交可育，但由于染色体数目的不匹配，往往与 亲本之间存在生殖隔离。因此，这些杂种通常就被确定为新的物种。在许多植物中，异 源多倍体化( 杂交之后，染色体数目倍增) 被公认为能导致“瞬间”生成新种，例如两 种樱草p r i m u l av e r t i c i l l a t a 和pf l o r i b u n d a 的杂交。这两种樱草各有9 对1 8 条染色体， 它们的杂交后代一般地也有1 8 条染色体，但是因为其中的一半各来自两种樱草，没法 配成9 对，所以是不育的。然而，有少数杂交后代的染色体数多了一倍，成了3 6 条， 因此就可以配成1 8 对，这样的杂交后代可以自行繁殖，并无法再跟其父母本交配，是 一个新的物种。类似这样的多倍体化很可能是被子植物产生新物种的最主要方式，在进 化史上，可能有超过半数的单子叶植物是多倍体化的产物。 同倍体之间也会形成杂交种。这种方式通常表现为二倍体物种之间的杂交，形成新 的杂交种，即同倍体重组，如牡丹属( p a e o n i a ) 的有些二倍体物种之间就可杂交形成 新种。有时，同倍体杂交还会伴随渐渗杂交，如向日葵属( h e l i a n t h u s ) 就是典型的例 子。 渐渗杂交，即自然杂交种与两个亲本种或其中之一反复回交，其结果将导致从一个 种到另一个种跨越繁育障碍的基因转移( a n d e r s o n & h u b r i e h t1 9 3 8 ；a n d e r s o n ，1 9 4 9 ， 1 9 5 3 ) 。在自然条件下，动植物发生渐渗杂交的例子不胜枚举，典型的动物如狼( 野狼、 和灰狼) 、鲤科g 妇属，典型的植物如鸢尾属( i r i s ) 、刺柏属( j u n i p e r u s ) 、松属( p i n u s ) 和禾本科一些属。 动物分类群之间的杂交事件出现的频率非常罕见( r a r e ) ，而植物自然杂交的发生 的频率，通常是用普遍的( w i d e s p r e a d ) 来形容。这种说法只能是相对动、植物总体而 言的。事实上，在植物类群中，总的发生自然杂交的频率是很低的，而且其类群分布也 是不均衡的，只是在某一些具体的分类群尤其是近缘的分类群之间发生自然杂交的频率 是相当高。s t a t e ( 1 9 7 5 ) 就已经注意到杂交事件在主要分类群中的不等分配。比如，在桦 木科b e t u l a c e a e ，柳叶菜科o n a g r a c e a e ，兰科o r c h i d a e e a e ，松科p i n a c e a e ，蔷薇科 r o s a e e a e ，杨柳科s a l i e a c e a e 杂种事件发生频率较高，而在唇形科l a m i a c e a e 和蝶形花科 f a b a c e a e 则非常低。此外他还注意到在多年生的植物发生杂交的频率往往高于一年生 的。e l l s t a n de ta 1 ( 1 9 9 6 ) 统计了英格兰岛、斯堪的纳维亚半岛( 瑞典、挪威、丹麦、冰 岛的泛称) 、北美西部大平原和山区以及夏威夷群岛等五个区系的维管植物，发现种间 杂交种在科的水平发生是普遍的( p r e v a l e n t ) 但不是随处可见的( u b i q u i t i o u s ) ，每一个 区系只有1 6 - 3 4 的科至少只有1 个杂种曾被报道，只有6 1 8 的属有只有1 个或多个 杂种曾被报道。如果统计每个区系的杂交种所有区系总的比例，这两个数值就更小，科 猕猴桃属植物的自然杂交与进化 的水平是1 4 4 7 ，属的水平是o 3 2 4 。玄参科、杨柳科、蔷薇科、菊科a s t e r a c e a e 、 禾本科p o a e e a e 、莎草科c y p e r a c e a e 等科出现杂交的频率最高。植物杂交成种的程度和 模式在非常近缘的类群中通过杂交种的分布得到估计和检验。经典的例子是a n d e r s o n & h u b r i c h t ( 1 9 3 8 ) 对t r a d e s c a n t i a 属，r i l e y ( 1 9 3 8 ) 对路易斯安那卅l 的鸢尾属，g r a n t ( 1 9 5 3 ) 对吉莉属g i l i a ( 花葱科) l e n z ( 1 9 5 9 ) 对太平洋海岸的鸢尾属，a l s t o n & t u r n e r ( 1 9 6 3 ) 对 b a t i s i a 属，h e i s e re ta 1 ( 1 9 6 9 ) 对向日葵属的研究。迄今为止，这些类群中很多类群依然 是自然杂交与进化研究的代表类群，如鸢尾属和向日葵属( a r n o l d ，2 0 0 4 ；r i e s e b e r g e t a 1 2 0 0 3 ) 。c a y o u e t t & c a t l i n g ( 1 9 9 2 ) 发现在莎草科苔属c a r e x 中自然杂交在三个亚属 中也出现不等分配，在i n d o c a r e x 亚属中，没有杂交种的报道；相比较而言，2 5 的v i g e a 亚属植物( 4 5 1 8 0 ) 和5 6 的c a r e x 亚属植物( 1 3 5 2 4 0 ) 是杂交种。这些发现暗示自然 杂交事件不均等地出现在不同的分类群之中。这种异质性分配部分程度上反映了生物学 自身差异( 如交配系统的差异) ，但是，时空分布也可能起到一定作用，如某些类群是 同域分布的而另外一些类群是异域分布的，就可能导致在自然杂交方面的不同机遇。 1 3 鉴定自然杂交的方法和经典实例 1 3 1 常用方法 早期对杂交的识别研究主要依据形态特征，形态特征的杂交指数常被用于区别双亲 f b j 的中间类型并推断个体是否来自杂交。但形态特征的可塑性常混杂子代和双亲。形态 标记的可靠性较低，没有一致的标准，会因研究者的不同而不同的判定。细胞学标记， 也曾作为重要的判断标准，但主要是依靠染色体数目，在明确染色体基数和亲本范围时 有助于对异源多倍化成种的鉴定，显然具有很大的局限性。不过，m a s t e r s o n ( 1 9 9 4 ) 分析 绝灭的木本被子植物的石化的保卫细胞，检验多数被子植物多倍体起源假说是个例外。 通过测定细胞大小，研究者能够估计核d n a 的含量以及这些物种的染色体数目。由此 得出结论，对于所有被子植物来说，原始的单倍体染色体数目应该是7 - 9 ，暗示大多数 现存被子植物( 大约7 0 ) 是多倍体后裔，这一发现支持大多数被子植物起源于祖先的 杂交( c l a u s e ne ta 1 ，1 9 4 5 ；s t e b b i n s ，1 9 4 7 ；s o l t i s & s o l t i s ，1 9 9 3 ；转引自m a s t e r s o n ，1 9 9 4 ) 。 分子标记( 特别是d n a 标记) 和基因序列，为杂交鉴定提供了有效的工具，系统 发育分析是鉴定自然杂交的重要方法。大量的分子标记和基因序列研究表明杂交在植物 进化上起重要作用。 分子标记( m o l e c u l a rm a r k e r ) 是指可遗传并可检测的特异性的d n a 、r n a 和蛋白质。 在自然杂交种的鉴定上通常采用的是蛋白质标记和d n a 标记。蛋白质标记包括种子贮 藏蛋白、同工酶及等位酶等。同工酶是指一个以上基因位点编码的不同分子形式的酶。 等位酶是指由同一基因位点的不同等位基因编码的不同形式的酶。等位酶是共显性标 4 复旦太学博士后研究工作报告 记，适合于鉴定杂交，但精确度明显不够，逐渐被后来发展的d n a 标记取代。常用的 鉴定自然杂交的d n a 标记主要有限制性长度片段多态性( r e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t h p o l y m o r p h i s m s ，r f l p ) 、随机扩增多态性d n a ( r a n d o ma m p l i f i e dp o l y m o r p h i cd n a ， r a p d ) 、扩增片段长度多态性( a m p l i f i e df a g m e n tl e n g t hp o l y m o 删s m s ，a f l p ) 、简单 重复序列( s i m p l es e q l l c n c er e p e a t s ，s s r 或称微卫星m i c r o s a t e l l i t e ) 等，其中r f l p 、s s r 为共显性标记应用最为广泛。这些分子标记是针对整个基因组的扩增，检测效率高、信 息量大，但所获得的信息是由扩增片段的有无决定的，受实验条件影响，结果不如基因 序列准确。 以测定特定的基因序列进行系统发育分析是目前研究自然杂交尤其是种间杂交最 为常用的方法。系统发育分析已经成为检验网状事件强有力的鉴别性手段( a r n o l d ， 1 9 9 7 ) 。区分种间杂交首先要考虑是选择适于属内种间甚至是更低分类群的基因，并对 近缘类群有足够的分辨率。植物基因组包括核基因组、叶绿体基因组和线粒体基因组。 核基因组为双亲遗传，而叶绿体基因组和线粒体基因组为单亲遗传。绝大多数被子植物 的叶绿体基因组和线粒体基因组是母性遗传，因此可以常被用来判断杂交种的母本。核 基因组则被用末判断双亲的大致范围。除了考虑分辨率之外，应主要考虑单拷贝基因和 一致性进化的多拷贝基因。目前植物分子系统学研究已经利用了来自三个基因组的基因 或d n a 片段构建植物类群的系统发育。了解不同基因组的特点、不同基因或d n a 片 段的一般应用分类等级的上下限，是否适合属内种间甚至居群的研究，以及具体类群的 具体情况，将有助于合理而有效地应用它们去获得系统发育信息，判断自然杂交。 叶绿体基因组主要由单拷贝序列组成，在被子植物中常常单亲遗传，一般母系遗 传( 猕猴桃属a c t i n i d i a 是个例外，为父系遗传) ，与核基因相比，不受网状进化影响，其 进化历史相对容易分析，构建系统树比较容易。叶绿体基因组比较适合分子系统学研究 还在于以下几个方面：1 ) 叶绿体d n a ( c p d n a ) 在植物总d n a 中含量较丰富，易于提 取和分析；2 ) 对叶绿体基因遗传背景了解较多：3 ) 核酸替换较保守，适合解决较高等 级分类群的进化问题：4 ) 不同的叶绿体基因进化速率不同，具有系统学价值的基因很 多，可以选择进化进化速率快的基因探讨低分类等级的系统发育。r b c l 是分子系统学研 究常用的基因，通常适合于科以上分类等级的系统发育，有时也用于科内属间；如果用 于属内、种间系统发育，可选择编码基因如m a t k 基因、非编码序列( 内含子或间隔区) 如t r n l - f 、r p l l 6 、t r n t - l 、t r n g - s 、t r n c - d 、r p s l 6 、p y - i g s 等。 线粒体基因组以往认为线粒体基因重排事件频繁，作为信息分子，同源性受到影 响，很难用于分子系统学研究，特别是应用于高等级分类群的研究。但近年来的一些线 粒体基因如c o xlm a t r 和m t s