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竹亚科属于禾本科BEP分支,约包含1000-1500个种。竹亚科为一个单系类群,根据形态、分子证据,结合地理分布可将竹亚科划分为热带木本竹子分支(即箣竹族Bambuseae Kunth ex Dumort.s.s.)、温带木本竹子分支(即青篱竹族Arundinarieae Nee ex Ascherson& Graebner)和草本竹子分支(即莪利竹族Olyreae Kunth ex Spenner)。竹亚科,特别是温带木本竹子分支一直是系统发育研究的难点。本研究对竹亚科热带分支的慈竹(Bambusa emeiensis),温带分支的裂箨铁竹(Ferrocalamus rimosivaginus)、毛花酸竹(Acidosasa purpurea)、箬叶竹(Indocalamus longiauritus)、毛竹(Phyllostachys edulis)和毛金竹(Phyllostachysnigra var.henonis)共六种竹子的叶绿体全基因组进行了测序。首次尝试以系统发育基因组学手段,对竹亚科系统发育关系进行重建,以期解决温带分支内部的系统发育关系,并探讨系统发育基因组学用于竹亚科系统发育重建的可行性。同时,结合已发表的两种竹子叶绿体基因组,在全叶绿体基因组水平上筛选了一些分子进化速率相对较快的片段,以期望能用于竹亚科分子系统学研究。主要研究结果如下:
1.竹亚科叶绿体全基因组比较分析
六种竹子叶绿体基因组的测序结果,证实了通过改良高盐低pH法直接分离叶绿体基因组,并采用新一代测序技术进行测序这一方法的可行性及可靠性。通过八种竹子叶绿体全基因组序列比对发现,竹亚科植物的叶绿体基因组非常保守,具有良好的共线性,编码一套相同的基因。本研究对新测序的六种竹子叶绿体基因组中的重复序列进行了鉴别,并根据重复序列在各个基因组中的共有方式进行编码,以最大简约法对六种竹子的系统发育关系进行初步分析,结果表明温带分支中裂箨铁竹最先分异,其次依次是毛花酸竹、箬叶竹、毛竹和毛金竹。
2.基于叶绿体基因组的禾本科系统发育分析
在以禾本科(特别是BEP分支)24个全叶绿体基因组序列进行的系统发育重建结果中,竹亚科与早熟禾亚科的姊妹关系得到了很高的支持,首次从系统发育基因组学的角度证实了近期的分子系统学研究结果。在竹亚科分支中热带分支与温带分支分别为两个很好的单系。热带分支包括麻竹(Dendrocalamus latiflorus)、绿竹(Bambusa oldhamii)和慈竹,在这一分支中绿竹和慈竹的关系更近。温带分支的系统发育结果支持毛竹与毛金竹构成单系,并与箬叶竹聚为一支。毛花酸竹与[箬叶竹+(毛竹+毛金竹)]聚为一支,但这一关系仅得到贝叶斯分析的支持,结合以重复序列为代表的基因组特征分析结果,认为这一关系较为合理,但由于本研究所选类群较少,这一关系有待进一步证实。对全叶绿体基因组序列、74个基因编码区序列、大单拷贝区序列、小单拷贝区序列四组数据分别进行系统发育分析,结果表明基于全叶绿体基因组序列的系统发育分析结果较为理想。当数据量减少到13.5kb,即用小单拷贝区序列进行系统发育研究时,竹亚科温带分支的分辨率降低,且该组数据中的一个倒位序列参与分析甚至会改变温带分支内部的拓扑结构。将基因中的插入和缺失与系统发育研究的结果进行比较,发现45个插入或缺失中有25个可能为共近裔性状,20个可能为平行演化或回复突变的结果,且不同性质的插入或缺失在各个基因中的分布并不均匀。将这45个插入缺失进行编码,加入编码基因序列矩阵进行分析,结果对原系统树的拓扑结构并无影响,但某些分支的支持率有所提高。综合以上结果表明,采用叶绿体系统发育基因组学手段对竹亚科植物进行系统发育重建是较为有效的方法,而在传统的分子系统发育研究中,由于采用少数几个分子片段为代表,因而对数据中所包含的倒位序列、插入或缺失的处理应格外慎重。
3.适用于竹亚科分子系统学研究的分子标记筛选
早熟禾亚科中累积了较多的变异,相对速率检测结果显示竹亚科植物的进化速率显著慢于早熟禾亚科和黍亚科,推测造成竹亚科植物分子水平变异低的可能的主要因为是木本竹类生活周期长,以无性繁殖为主,且温带木本分支可能经历快速分化的过程,导致温带分支内部分子变异率极低。叶绿体基因组中变异位点的数目及分布方式在三个亚科之间存在差异,因此基于八种竹子的叶绿体基因组进行分子标记的筛选更为合理。对竹亚科植物叶绿体基因组的编码区和非编码区分别计算变异率,结果显示非编码区的变异率较快,平均变异率约为编码区的两倍,因此本研究主要从非编码区中筛选了20个变异速率较快的分子片段。在这20个片段中已有6个片段曾用于竹亚科分子系统发育研究,并证明能提供相对较多的系统发育信息。其余14个分子标记在竹亚科植物分子系统学研究中的适用性有待于进一步证实。