分子生物學(xué)在苔蘚植物分類學(xué)中的應(yīng)用

王慧　徐杰

【摘 要】本文在苔蘚植物分子生物學(xué)基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來苔蘚植物在分子系統(tǒng)、分子遺傳以及物種鑒定的研究進(jìn)展，并對分子生物學(xué)技術(shù)做出說明。

【關(guān)鍵詞】苔蘚植物；分子生物學(xué)；DNA序列

苔蘚是目前存在于地球表面較為低等的一種植物且分布廣泛，被人們所認(rèn)識的苔蘚植物約有2萬多種[1]。苔蘚植物作為一種耐干旱鹽堿脅迫的植物常常被用來荒漠治理中的先鋒植物[2]，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，分子生物學(xué)技術(shù)也逐漸發(fā)展到苔蘚植物的研究中。但是由于苔蘚不像其他植物試驗(yàn)樣品容易且可持續(xù)獲得，對苔蘚植物分類學(xué)的研究一直處于形態(tài)學(xué)方面，在分子及生理生化角度來研究苔蘚植物的進(jìn)展則較為緩慢[3，4]。關(guān)于苔蘚植物分子生物學(xué)的研究主要集中在分子系統(tǒng)學(xué)、分子遺傳、物種的分類鑒定以及資源的拓展及創(chuàng)新方面。

1.苔蘚植物分子系統(tǒng)學(xué)的研究

苔蘚植物的起源和演化在植物界中一直存在著一定的爭議，特別是傳統(tǒng)分類學(xué)在苔蘚植物上的界定[5]，分子系統(tǒng)學(xué)的逐步發(fā)展成為苔蘚分類新的道路。常用在苔蘚分子系統(tǒng)上的研究手段主要有：隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA（RAPD）、限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）、擴(kuò)增片段長度多態(tài)性（AFLP）、序列特征擴(kuò)增區(qū)域（SCAR）、微衛(wèi)星（SSR）、DNA序列測定以及同工酶分析技術(shù)[6]。苔蘚植物在分子水平上進(jìn)行系統(tǒng)的研究起始于90年代初，對于植物分子系統(tǒng)學(xué)水平的研究大多起始于植物DNA序列，而苔蘚植物在當(dāng)時(shí)缺少DNA序列的研究[7，8]。直到1995年以后，關(guān)于苔蘚植物分子DNA序列發(fā)展至1000個(gè)，包含250個(gè)類別[9]。

苔蘚植物DNA探索是從葉綠體基因組、線粒體基因組以及核糖體基因組開始進(jìn)行的。葉綠體基因組中，已經(jīng)較成熟運(yùn)用的基因片段為rbcL、trnL-F、rps4、trnL-trnF等，nad5、nad1、trnS和18S、ITS2等分別為線粒體和核糖體基因片段較為常用檢測基因[10]。1999年，Beckert對苔蘚植物門進(jìn)行了大系統(tǒng)進(jìn)化的分析，分析了47種苔蘚植物中nad5基因內(nèi)含子，研究結(jié)果支持將Hypnanae與Dictananae亞綱重組[11]。2009年，Miwa在蛇苔屬（Conocephalum）對于環(huán)境的適應(yīng)并且隨之進(jìn)化能力的研究中，將小蛇苔（Conocephalum japonicum （Thumb.） Grolle）樣本中的rbcL基因擴(kuò)增并測序，比對后結(jié)合其他結(jié)論，說明了小蛇苔中發(fā)現(xiàn)了三種不同類型的rbcL基因，認(rèn)為可將其作為系統(tǒng)進(jìn)化和物種鑒定的重要手段[12]。2010年，Kathrin Feldberg通過對rbcL， psbA， trnL-trnF region， atpB-rbcL spacer， nrITS1-5.8S-ITS2標(biāo)記基因在108個(gè)隱葫苔科新增成員的分析研究，研究結(jié)果支持將隱葫苔科分為Adelanthoideae 和Jamesonielloideae兩個(gè)亞科，亞科Adelanthoideae包括Adelanthus屬、Pseudomarsupidium屬、及Wettsteinia屬，然而分子數(shù)據(jù)并不支持現(xiàn)代形態(tài)學(xué)體系對于Jamesonielloideae的劃分，基于分子系統(tǒng)進(jìn)化結(jié)果分析，F(xiàn)eldberg提出了Jamesonielloideae包括了在五個(gè)主要的進(jìn)化枝中具有代表性的Anomacaulis屬、Cryptochila屬、Cuspidatula屬、Jamesoniella屬和Syzygiella屬[13]。細(xì)鱗苔科（Lejeuneaceae）是苔類植物中的大科，它囊括了約90屬，1000余種，Wilson利用134個(gè)細(xì)鱗苔科樣品中的四種標(biāo)記基因rbcL、psbA、源自cpDNA的trnL-trnF以及nrITS，運(yùn)用最大似然貝葉斯分析法（即最大簡約法）進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)支持將細(xì)鱗苔科分為兩個(gè)亞科Ptychanthoideae亞科和Lejeuneoidea e亞科，而把Lejeuneoideae亞科又分為Lejeuneeae屬、Brachiolejeuneeae屬和Symbiezidium屬，然而根據(jù)形態(tài)分類并不符合以上Lejeuneoideae的分類，故需要更多實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證[14]。

2.苔蘚植物分子遺傳學(xué)多樣性的研究

對于苔蘚植物遺傳多樣性的研究從開始的形態(tài)學(xué)水平到細(xì)胞學(xué)水平，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的分子水平。分子水平研究遺傳多樣性分為生化和DNA水平，生化水平多使用酶學(xué)研究方法，利用同工酶或者等位酶方法。近年來，分子水平上對于苔蘚植物遺傳研究一般運(yùn)用分子標(biāo)記法，常用手段包括RAPD、SSR、AFLP、SRAP等。張安世等對11種苔蘚植物的親緣關(guān)系做了RAPD和SRAP的分析，結(jié)果顯示RAPD多態(tài)性比率為100%，SRAP多態(tài)性比率為96.9%，對數(shù)據(jù)進(jìn)行Average Linkage法建立聚類樹狀圖分析表示，兩種方式均可將11種苔蘚分為3類且牛角蘚單獨(dú)一類，與形態(tài)學(xué)分類一致，但是在3類中具體劃分歸屬科以上單位RAPD、SRAP和形態(tài)學(xué)分類存在差異，此外，RAPD與SRAP在對大葉鳳尾蘚和小牛舌蘚全緣亞種的劃分上也存在差異[15]。墻蘚（Tortula muralis）是一個(gè)世界性分布的苔蘚種類，Werner依據(jù)對49個(gè)墻蘚新成員中葉綠體rps4基因序列數(shù)據(jù)分析后，表示18.53%序列符合區(qū)域間差異，81.43%認(rèn)為是區(qū)域內(nèi)差異，只有在日本區(qū)域內(nèi)采集樣本完全區(qū)別于其他區(qū)域，通過生物地理學(xué)系統(tǒng)發(fā)生分析表明，墻蘚可能是一個(gè)并系，不確定的是墻蘚中不同的進(jìn)化枝是繼續(xù)進(jìn)化還是一個(gè)隱藏物種的典例[16].李晶采取20種東北地區(qū)的蘚類植物對其進(jìn)行RAPD分析，遺傳多態(tài)性約占96.34%，同時(shí)利用數(shù)據(jù)分析建立UPGMA聚類圖，結(jié)果顯示遺傳相似性系數(shù)為0.27可將樣品分為泥炭蘚類和真蘚類；遺傳相似性系數(shù)為0.42則可將樣品分為四類，而聚類圖的分類情況與苔蘚植物經(jīng)典分類系統(tǒng)表示結(jié)果一致[17].2002年，Skotnicki對黃瓜絲蘚（Pohlia nutans）中核糖體RNA18S-26S ITS進(jìn)行RAPD研究，研究結(jié)果表示黃瓜絲蘚像梨蒴曲柄蘚（Campylopus pyriformis）一樣，表現(xiàn)出低遺傳多樣性[18]。魏海英等對采用鄰接法和最大似然法對中國羽蘚科12屬25種植物rbcL和rps4建立了系統(tǒng)樹，并結(jié)合DNA序列分析和形態(tài)學(xué)特征分析支持將牛舌蘚科獨(dú)立成科，山羽蘚屬歸為羽蘚亞科，不支持沼羽蘚亞科獨(dú)立成科[19]。

3. DNA條形碼技術(shù)在苔蘚植物物種鑒定的應(yīng)用

苔蘚植物分子水平的物種鑒定主要應(yīng)用DNA條形碼技術(shù)。DNA條形碼技術(shù)主要是從樣本材料基因組DNA中擴(kuò)增適合的目的基因并且基因片段純化后進(jìn)行測序，提交到Genbank方便物種的鑒定和分類[20].本項(xiàng)技術(shù)在動物中已經(jīng)得以使用并獲得成效，少數(shù)高等植物中也有了一定的研究進(jìn)展，而在苔蘚植物鑒定中還需要大量實(shí)驗(yàn)工作。

DNA條形碼中需要確定一個(gè)通用片段作為鑒定探針。動物的CO1已經(jīng)較為成熟應(yīng)用[21-22]，而在苔蘚植物中，rbcL、rpoC1、rps4、trnH-psbA、trnL-trnF有很強(qiáng)的特異性且易獲得，而被認(rèn)為可以應(yīng)用的苔蘚植物DNA條形碼[23-25]，但是在近年來對上述基因片段的遺傳分辨率以及在鑒別親緣關(guān)系較近的苔蘚物種之間有一定的爭論。其中的rpoC1基因，在植物物種鑒別中效率較低，而由Hollingsworth[26]在2009年發(fā)表的文章中表示，rpoC1基因進(jìn)化速度較快，可以作為陸生植物的DNA條形碼，在科級水平的鑒別中有很好的表現(xiàn)。

DNA條形碼技術(shù)作為新興物種鑒別技術(shù)，優(yōu)勢很明顯，雖然已經(jīng)在大部分苔蘚植物基因中得以應(yīng)用，但是因?yàn)槿狈τH緣關(guān)系較近的樣本的鑒定和研究，所以在物種鑒別時(shí)用于親緣關(guān)系近的樣品的應(yīng)用就有一定的誤差。今后對于物種鑒別研究中，可致力于DNA條形碼技術(shù)在近親物種鑒別的研究和改進(jìn)中。

4.總結(jié)

苔蘚植物對環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性，耐旱抗寒，我國苔蘚植物物種豐富，以上條件為我們更好的研究苔蘚植物的系統(tǒng)發(fā)育及演化，以及遺傳鑒定提供了基礎(chǔ)，但是我國苔蘚分子水平研究起步較晚，在這方面的研究與國外相比還較為落后。我們需要發(fā)展壯大苔蘚植物分子研究的隊(duì)伍，把更多分子手段運(yùn)用到苔蘚植物系統(tǒng)、遺傳以及鑒定，有很大的發(fā)展空間，將會有更多可利用的研究價(jià)值。

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作者簡介：

王慧，內(nèi)蒙古師范大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事植物學(xué)、分子生物學(xué)研究。

通訊作者：徐杰