凤尾蕨科植物rbcL基因的适应性进化分析

为深入理解蕨类植物辐射式物种分化的分子适应机制,在时间框架下,采用位点模型和分支-位点模型对凤尾蕨科植物rbcL基因的进化式样进行了分析.通过比较模型M1a/M2a和M7/M8,在氨基酸水平上共鉴定出6个正选择位点:1491、251M、255V、282F、359S和375F,其中位点282F对维持Rubisco功能有重要作用.分别检验凤尾蕨科的附生分支和水蕨类分支发现,前者不具适应性进化位点,而后者有两个位点(230A和247C)经历正选择.相对于荫蔽的光条件,水生生境可能对RbcL亚基的选择作用更强.另外,基于UCLD分子钟模型估算出的风尾蕨科各分支分化时间表明,该科物种丰富度的辐射式增长发生在新生代渐新世,推测古、始新世最热事件可能对物种分化的形成也产生一定作用.这对认识薄囊蕨类如何应对被子植物兴起导致的陆地生态系统改变具重要意义.     

膜蕨科植物rbcL基因的适应性进化和共进化分析

膜蕨科植物是薄囊蕨类中种类最多的科,主要分布在潮湿的热带地区,拥有陆生、附生、半附生和攀生等多种生态型。为进一步了解膜蕨科植物辐射式物种分化的分子适应机制,该研究在时间框架下采用位点模型对膜蕨科植物rbc L基因的进化式样进行分析。结果表明:共鉴定出6个氨基酸正选择位点(125I、227L、231A、258F、304S和351L),其中位点304S位于环六上,对维持Rubisco功能有重要作用。此外,还计算了Rubisco大亚基内部氨基酸位点之间的共进化关系,共检测出39组(35个氨基酸)共进化位点,其中位点在α螺旋上的占46%,在β折叠上的占14%。膜蕨科植物rbc L基因这种复杂的进化式样可能与其起源较早有关。鉴于此,基于UCLD分子钟模型对膜蕨科植物的分化时间进行了估计,结果显示膜蕨科植物首次发生分歧的时间在三叠纪早期,瓶蕨属和膜蕨属的分歧时间分别发生在侏罗纪早期和白垩纪晚期,并且得出陆生生态型是其它生态型进化的基础,推测最近几次最热事件可能对物种分化的形成产生一定的作用。该研究结果对认识膜蕨科植物如何应对被子植物兴起所导致的陆地生态系统改变具重要意义。     

40种蕨类植物matK基因的系统分类及分子进化研究

采用“放松分子钟”模型、氨基酸位点正选择模型和分子内共进化网络估算方法,对蕨类植物Ⅱ型内含子成熟酶蛋白K(Maturase K,MATK)编码基因matK的进化趋势进行研究。结果显示:matK基因在蕨类植物系统学研究中具有一定的应用价值,与rbcL基因和psaA基因联合后能显著提升系统发育树的可信度;蕨类植物MATK蛋白中存在少数曾经历正选择的位点;MATK蛋白内部有多对氨基酸位点共同构成共进化网络。在被子植物兴起环境改变后,MATK蛋白部分位点发生适应性进化,通过位点间共进化网络协同作用方式提升蕨类植物对新光合环境的适应能力。     

裸子植物psbA基因分子进化式样的研究

为阐明裸子植物对陆生生境生态响应的分子机制,以新近的裸子植物分类系统为指导,基于psb A基因编码全序列对4亚纲53种代表植物进行分子进化分析。首先,依据"放松分子钟"模型重建裸子植物在时间尺度下系统发育关系;其次,采用6个模型(MEC/JTT、MEC/cp REV、M5、M7、M8、M8a)估测氨基酸位点ω值,并对各模型结果进行统计检测;随后,利用Bootstrap方法检PSBA蛋白内部氨基酸位点的共进化动态。结果表明,系统树提示的物种分化历程支持前期分类结果;光合系统反应中心核心PSBA蛋白有3个氨基酸位点(13、19和243)曾经受正选择压力;PSBA蛋白内部有多对氨基酸位点间构成了共进化网络。因此,psb A基因编码序列具有作为描绘裸子植物系统发育关系标记的潜力,PSBA蛋白部分位点经历了适应性进化,通过位点间共进化网络协同作用方式辅助裸子植物响应陆生生境。     

蕨类植物叶绿体基因ycf94的分子进化研究

ycf94基因是近年来在叶绿体基因组中新发现的一个基因,在蕨类植物中表现高度保守。该研究共选取94种蕨类植物,在系统发育背景下,对ycf94基因的结构特征、密码子偏好性、进化速率和适应性进化进行分析。结果表明, ycf94基因的密码子偏好性较弱,偏好使用以A/U结尾的密码子,且不同物种间的偏好性存在一定差异。密码子偏好性的形成主要受到突变压的影响,同时也存在其他因素的作用;基于凤尾蕨科和其他蕨类中ycf94基因的结构特征存在区别,对两者的分子替换速率进行了比较,表明颠换率、非同义替换率和ω值间存在显著差异;仅检测出1个正选择位点74A,强烈的负选择作用表明ycf94基因的结构和功能基本趋于稳定。这为蕨类系统发育分析提供了新依据,并提供了解析ycf94基因功能的线索。     

蕨类植物psaA基因的分子进化研究

采用“放松分子钟”模型、氨基酸位点正选择模型和分子内共进化网络估算方法,对蕨类植物光合系统Ⅰ核心蛋白PSAA编码基因psaA的进化趋势进行了研究。结果显示,叶绿体基因psaA编码区全序列具备成为蕨类植物系统发育关系重建位点的潜力,与rbcL基因联合后能构建高后验概率的系统发育树;蕨类植物的PSAA蛋白中存在一些曾经历正选择的氨基酸位点,其中29个位点聚合成为16个共进化组,通过共进化网络的方式协同影响光合系统Ⅰ的内部调整,提升其在被子植物兴起后光合环境下的适应能力。本文对蕨类植物进化潜能与分子机理的研究结果为揭示蕨类植物适应新生境提供了科学依据,也为植物系统分类学研究提供了分子依据。     

云南产凤尾蕨属植物(凤尾蕨科)的新修订

在《中国植物志》和《云南植物志》的基础上,对云南产凤尾蕨属植物进行新的分类修订。文中澄清了8个混淆类群,其中新等级1种,即高原凤尾蕨Pteriscuspigera(Chingex Ching et S.H.Wu)X.Q.Song;云南分布新记录1种,即假指状凤尾蕨Pteris psudodactylina Ching et S.K.Wu;新异名3个,即Pteris asperi-caulis var.cuspigera Chingex Ching et S.H.Wu,Pteris inaequalis Bak.及Pteris wallichiana var.yunnanensis(Christ)Ching et S.H.Wu。还列出了新修订种类的文献引证、标本引证、生境和地理分布。经该文研究确认,现知云南有该属植物48种。     

念珠藻属植物nifH基因的适应性进化分析

念珠藻(Nostoc)固氮过程关键在于固氮酶的催化,而固氮酶复合物中的铁蛋白(NifH)是由高度保守的nifH基因编码的,该基因是进化史上现存最古老的功能基因之一。该研究选取念珠藻属及近缘类群的nifH基因序列共40条,采用最大似然法构建系统发育树;运行PAML4.9软件,对nifH基因编码蛋白进行生物信息学分析,并使用分支模型、位点模型和分支-位点模型检测该基因的选择位点,探讨nifH基因的适应性进化特征。结果表明:(1)最大似然树显示内类群中该研究物种共分为6个分支(A、B、C、D、E和F),其中D和E是2个大的分支,每个大分支中又各包含2个特殊的小分支A、F和B、C,其中F分支包含新疆古尔班通古特沙漠采集到的9株念珠藻,A分支包含F分支及该研究测定序列的4株葛仙米,B分支包含本研究测定序列的4株地皮菜和3株未定种的念珠藻,C分支包含NCBI数据库中下载的5株念珠藻、鱼腥藻序列和本研究测定序列的1株念珠藻。(2)在所分析的3种进化模型中,仅通过分支-位点模型检测出14个统计学上显著的正选择位点,即1F、2S、3S、4T、5A、6F、7F、8I、9S、10C、17I、27Y、29D和31R位点,表明念珠藻属植物的nifH基因发生了适应性变化,分支-位点模型是研究藻类基因适应性进化较好的模型。     

蕨类植物psbD基因的适应性进化和共进化分析

D2蛋白是植物光系统Ⅱ复合体（PSⅡ）核心蛋白之一,由叶绿体psbD基因编码。为了深入理解核心薄囊蕨类植物在阴生环境下的“辐射”式演化,我们对12种蕨类植物的psbD基因进行了克隆和测序,然后联合已公布的其他8种蕨类植物的psbD序列,基于ω值（非同义替换率ds和同义替换率ds的比值）探讨了该基因经受的选择压力。发现D2蛋白在大多数分支和位点受到强烈的负选择,但是树蕨类分支的psbD进化速率低且ω值较高。借助多种模型进行的共进化分析显示,树蕨类D2蛋白的168R、245H和272M两两组成具有共进化关系的氨基酸位点对。     

陆生植物鲨烯合酶适应性进化正选择位点分析

鲨烯合酶是三萜类皂苷生物合成途径中的关键酶,其活性的高低决定了三萜皂苷、植物甾醇等后续次生代谢物的含量．对鲨烯合酶进行正选择位点分析,可为识 别重要的功能位点提供有意义的信息．本研究在克隆获得五加科三七、葫芦科绞股蓝鲨烯合酶cDNA的基础上,结合GenBank中所登载的植物鲨烯合酶cDNA序列信息,利用位点模型检测并分析了38种陆生植物鲨烯合酶的适应性进化．结果显示,进化上相对保守的鲨烯合酶受到正选择作用,检测到的21个正选择位点大部分集中于第2跨膜区及其两侧,其中189S、194S、196S、265I、389P、390T、408A、410R和414N等9 个位点很可能与鲨烯合酶的活性有关．本研究从分子进化角度为调控三萜类化合物的生物合成提供了一个新的思路．     

蕨类植物的鳞片特征及演化I: 凤尾蕨科

鳞片是蕨类植物体表常见附属物, 是蕨类植物非常显著的分类学特征。凤尾蕨科(Pteridaceae)在蕨类植物系统发育中的位置关系多次发生了变化, 不同学者对该科中包含的类群也有着不同的观点。通过对该科76种植物的鳞片进行取材, 利用解剖镜观察拍照, 对各属鳞片特征进行描述。结果显示, 鳞片特征在不同的属和亚科之间具有明显的形态差异。用GenBank数据库中的rbcL基因序列对所研究物种进行系统发育重建, 并对鳞片的边缘特征和筛孔类型进行祖先性状重建, 结果表明, 全缘型鳞片和均质型鳞片是凤尾蕨科鳞片的祖征性状, 非全缘类型和透明筛孔类型的鳞片是在后期演化过程中形成的特征。此外, 透明和不透明类型的筛孔其形成可能与蕨类植物生活环境中的光照强度有关。     

Evolution of Inbreeding and Outcrossing in Ferns and Fern-Allies

Abstract Mating systems of 18 species of homosporous ferns follow a bimodal distribution, similar to that observed for seed plants (Schemske and Lande, 1985). Most species are highly outcrossing, a few are inbreeding, and two species examined to date have mixed mating systems. Equisetum arvense and several species of lycopods are also highly outcrossing. Several mechanisms, including inbreeding depression, antheridiogen, and ontogenetic sequences that result in effectively unisexual gametophytes, promote outcrossing in homosporous ferns and perhaps other homosporous pteridophytes as well. In some species of homosporous ferns, selection has favored the evolution of inbreeding as an adaptation for colonization. High levels of intra- and interpopulational gene flow via spore dispersal, coupled with high levels of intergametophytic crossing, generally lead to genetically homogeneous populations and species of homosporous ferns. However, rock-dwelling ferns and ferns from xeric habitats may exhibit significant population genetic structure due to physically patchy habitats. Reticulate evolution in homosporous ferns may be enhanced by high levels of intergametophytic crossing.     

蕨类植物叶绿体rps4基因的适应性进化分析

在原核生物和植物叶绿体中,RPS4(ribosomal protein small subunit4)在核糖体30S小亚基形成起始过程中发挥重要作用;该蛋白在植物中由叶绿体rps4基因编码。为验证蕨类植物在白垩纪适应被子植物兴起而发生分化的观点,本文以23种蕨类植物为研究对象,利用分支模型、位点模型和分支位点模型对其叶绿体rps4基因进化适应性进行分析。分支模型检测到4个可能存在正选择的分支;位点模型和分支位点模型虽然没有检测出正选择位点,但是位点模型检测出了85个负选择位点。通过研究我们仅仅得出a、b两个代表水龙骨类的分支处于正选择压力下,这与水龙骨类在白垩纪发生辐射式演化的理论相一致。同时rps4基因处于强烈的负选择压力这一事实表明该基因的功能与结构已经趋于稳定。     

国家自然科学基金委重大项目“禾本科植物的适应性辐射及其进化机制”结题综述

国家自然科学基金委重大项目"禾本科植物的适应性辐射及其进化机制"利用比较形态学、分子系统学、进化发育生物学、古生物学等多方面证据,通过多学科交叉的方法探讨了禾本科植物中出现的适应性辐射现象及其机制,在禾本科的系统发育关系以及适应性辐射的基本式样、生物和非生物环境因素在物种适应和分化以及物种快速形成中的作用、基因组大小及其结构变异以及突变、重复和调控模式变化对适应性辐射过程中关键性状(功能)的影响等方面取得了重要进展,在人才培养、国际合作和实验体系建立等方面极具特点。该项目的顺利完成为更好地阐明植物多样性形成的原因与机理奠定了良好的基础。     

Effects of natural habitat fragmentation on an endemic scrub lizard (Sceloporus woodi): an historical perspective based on a mitochondrial DNA gene genealogy

The Florida scrub lizard, Sceloporus woodi, is endemic to scrub habitat patches along the central portion of the Florida peninsula and xeric coastal regions. Scrub ecosystems are the patchily distributed remnants of previously widespread habitats formed during the Pleiocene and early Pleistocene. Scrub lizards appear to have limited dispersal capabilities due to high habitat specificity and low mobility. To assess the population structure and phylogeography of S. woodi, 135 samples were collected from 16 patches on five major ridges in Florida, USA. Analysis of 273 bp of mitochondrial DNA (mtDNA) cytochrome b reveals a very strong geographic distribution of genetic diversity. Haplotype frequencies are significantly different in 63 of 66 comparisons between patches. With one exception, samples from the five major ridges are characterized by fixed differences in haplotype distribution and deep evolutionary separations (3-10%). Fixed genetic differences were also observed between northern and southern segments of several ridges. Analysis of molecular variance (AMOVA) shows an estimated 10.4% total genetic variation within patches, 17.5% among patches (within ridges), and 72.1% among ridges. This strong population structure among patches within ridges indicates that the distribution of S. woodi is tightly linked to sandy scrub habitat and that the discontinuous distribution of scrub habitats significantly inhibits dispersal and gene flow. Phylogeographic analyses indicate a pattern of dispersal down the Florida peninsula during the late Pliocene-early Pleistocene, followed by habitat fragmentation and variant isolation events. Therefore, the deep genetic structuring among scrub lizard populations on separate ridges is attributed to ancient isolation events induced by a shift from dry (xeric) to wet (mesic) conditions on the Florida peninsula. These findings indicate that some scrub lizard populations have persisted in isolation for time frames in excess of 1 Myr, providing a case history on the genetic consequences of habitat fragmentation.