黄槿的GapC基因家族与分子亲缘地理学研究

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黄槿(Hibiscustiliaceus)作为一种热带亚热带广布的典型半红树植物,是当今世界红树植物两大分布区(印度洋—西太平洋区和大西洋—东太平洋区)中共同拥有的红树植物之一。本研究选取已在居群内发现足够变异的核基因家族——三磷酸甘油醛脱氢酶基因家族的一个成员作为分子标记,利用亲缘地理学方法,研究全球主要分布区内黄槿居群的遗传结构、亲缘地理格局及其可能成因。 使用核基因进行系统发育和亲缘地理分析时,要求其最好满足三个条件,即:1)该基因在所研究类群或居群中已显示出足够的变异(足够变异);2)所有比较的序列必须直系同源(直系同源);3)该基因的进化最好符合中性进化模式(中性进化)。为了找到满足这些条件的核基因并以其作为黄槿亲缘地理学研究的分子标记,我们用EPIC和克隆测序方法分离了中国广州和日本琉球各1个黄槿样品的细胞质三磷酸甘油醛脱氢酶基因(GapC),序列分析和系统发育分析结果表明,黄槿的GapC基因是一个基因家族,至少包含10个成员。 在用通用引物扩增黄槿的GapC基因时,我们发现了PCR介导的重组产物和旁系同源物,而这些序列会干扰进化分析,因此,在使用基因家族某一成员进行系统发育和进化分析时,必须注意避免PCR介导的重组和旁系同源物的干扰。PCR介导的重组主要是由扩增过程中的延伸停止造成的,我们发现黄槿DNA模板二级结构中明显的茎环或发夹结构与延伸停止密切相关,并发现巢式PCR能够避免PCR介导的重组。我们采用下列方法来排除旁系同源物的干扰,即通过构建上述克隆序列的系统发育树并根据树的叠印来寻找直系同源基因,然后设计特异性内部引物,与EPIC扩增引物相结合,利用巢式PCR扩增目的直系同源基因片段,用于后续研究和分析。 按照上述方法,我们找到了一个在黄槿居群内和居群间均有足够变异且遵循中性进化模式的直系同源基因——GapC基因家族成员GapC4(以下简称GapC)。将这一基因的特异性内部引物与通用引物相结合,对6个地理区域(中国、日本、中南半岛、澳大利亚、斯里兰卡和美国)8个国家31个黄槿居群共计347个个体进行了巢式PCR扩增,结果检测到45个单倍型,其中20个为两个以上居群所共有,另外的25个为各居群的独有单倍型。为两个以上地理区域所共享的15个单倍型中,有4个是广布的,且其中2个的频率都超过了20%。 6个地理区域的黄槿表现出了相似的遗传多样性。除了中国福建和马来半岛南端外,其他地方的黄槿居群都表现出了很高的遗传多样性。中国福建黄槿居群的极低遗传多样性可能是由于分布区边缘的奠基者效应造成或者由人工无性繁殖而来,而马来半岛南端的低遗传多样性可能暗示这些样品采集地的黄槿居群是由人工无性繁殖而来。 AMOVA分析显示,黄槿居群的FST=0.49389,与已报道的一百多种近交植物的平均FST值(0.510)相当;FIS=0.53218,说明虽然在黄槿居群内发现有一些杂合体存在,但相对于哈迪—温伯格平衡预期来说,杂合体还是缺乏,纯合体过多,这与近亲繁殖和以近交为主的植物类似。因此,黄槿的交配系统可能是以近交为主的。 基因谱系分析表明,黄槿GapC单倍型表现出明显的亲缘地理格局。除15个两个以上地理区域所共有的单倍型外,另外的30个单倍型都局限于相对狭小的地理区域内。马来半岛西海岸与斯里兰卡的单倍型形成一个独立进化枝。部分中国和日本的单倍型也形成一个与其他单倍型相距较远的独立进化枝,且韩国海滨木槿(Hibiscushamabo)与该枝共享一个频率很高的单倍型。澳大利亚北部和东北部居群的独有单倍型各自形成一个独立进化枝。美国黄槿各单倍型间的关系也比较近,而且美国Hibiscuspernambucensis的单倍型除了与美国黄槿的一个独有单倍型相对较近外,与其他所有的单倍型关系都比较远。 Mantel检验结果表明,黄槿GapC基因的FST遗传距离与地理距离的相关性极低,表明基因流并非总是局限于相邻的最近居群间。 形成当今黄槿的这种亲缘地理格局的重要原因可能是:在较早以前,具有明显多态性的黄槿祖先扩散至各地;之后,由于地理隔离而导致其各自独立分化发展,只有那些地理距离较近且其间没有障碍的黄槿居群间的基因才能顺畅交流。
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