西藏藏波罗花的种群遗传多样性及角蒿属植物花色相关基因的分子进化研究
西藏藏波罗花的种群遗传多样性及角蒿属植物花色相关基因的分子进化研究
【摘要】： 藏波罗花Incarvillea younghusbandii,又名西藏角蒿,是青藏高原特有的草本植物。系统分类学上将它归于唇形目,隶属紫葳科角蒿属。可是作为青藏高原濒危的特有植物,只有对其药用价值和系统分类方面的了解,而对保护生物学方面的基础研究数据(如遗传多样性高低水平、种群内或之间的遗传结构组成和变异情况等)仍然十分匮乏。自2006年起,我们横穿西藏腹地,从野外采集了七个野生藏波罗花的居群样本。运用扩增片段多态性技术,即AFLP的分子标记技术,对藏波罗花野生居群的遗传多样性和遗传结构进行初步分析。结果显示,七对选择扩增引物总共扩出332条清晰可信的条带,其中的多态性条带有185条,条带多态性为P=55.7%。其中,每对引物扩增的有效条带范围是38-59个。可见,扩增条带多样性标记实验结果显示藏波罗花七个野生种群的遗传多样性较低。种群内平均的Nei的遗传多样性指数HE和香浓指数儿也较低,分别为0.063和0.096。与检测到的藏波罗花的种群内部较低的多样性水平不同的是,在种群之间的遗传分化却相当高。分子方差分析AMOVA显示,种群间的遗传方差为61%(P<0.001)以及Nei的遗传分化系数为Gst=0.6238。此外,种群之间的Nei的遗传距离变化范围是从0.0705到0.2171,平均距离是0.14。遗传距离矩阵和种群地理距离矩阵的相关性Mantel Test分析表明,种群之间的Nei的遗传距离与地理距离有显著的线性相关(r=0.809,P=0.004)。藏波罗花的低遗传多样性是由小的种群密度以及伴随而来的遗传漂变等因素共同造成的。除此原因之外,频繁的种群灭绝和重新再生等循环也可能是造成物种遗传多样性水平低的原因,气候的波动对西藏地区的影响,对于这种遗传结构的形成也起着相当重要的影响。这些变化使得藏波罗花赖以生存的生境越来越小,而且呈现片段化孤立。在全球变暖的背景下,藏波罗花的低遗传多样性水平和高度分化的种群遗传结构,将直接降低其的适应性潜力。由此可见,对藏波罗花的保护已经迫在眉睫,建议采取迁地保护。角蒿属植物的花色鲜艳丰富,是重要的花卉遗传资源。花色形成于花色素,其中最重要的是花色素为花青素,也是植物体内最广泛分布的色素。花青素代谢的生化合成已经研究的十分清楚,对于代谢上各个功能酶的基因也克隆完成。因此,花青素代谢经常被用来作为生物代谢网络进化机制的研究对象。一些研究表明,对于花青素代谢关键酶的进化速率呈现从上至下显著增加的现象,这与进化过程中的选择压力和适应性进化密不可分。除了在番薯属的花青素代谢网络的进化研究之外,还没有在其它的植物属内的研究。由此我们首次选取紫葳科中一支的独特的草本植物属—“角蒿属”—作为研究对象,对其花青素代谢.上最为关键的基因进行分子进化研究。实验选取了代谢通路从上到下游的顺序依次为查尔酮合成酶CHS-D、类黄酮羟化酶F3H、二氢黄酮醇还原酶DFR-B和类黄酮核糖基转移酶3-UFGT四个关键酶基因进行分子克隆。基因的系统发育树显示,角蒿亚属和波罗花亚属的关系最近,其次是两头毛亚属。对于各基因进化速率的比较发现,代谢途径最下游酶3-UFGT的基因进化速率明显高于出于最上游的酶CHS-D的进化速率。3-UFGT的非同义替换速率Ka的最大值为0.065,而在CHS-D中Ka为0.024,进化速率近3倍的差异。此外,位于CHS-D下游的其它酶,包括处于花色代谢内部分支的酶F3H的Ka也较高(最大值Kamax=0.099),另外一个关键酶DFR-B的非同义替换速率是四个关键基因中最快的,最大值Kamax=0.113。以上可见,处于代谢最上游的酶CHS-D是整个代谢途径上进化最缓慢的,下游的酶的进化速率开始加快,但相关性分析并没有发现沿代谢途径从上至下依次增加的线性递增的情况,其中DFR-B具有最快的进化速率。适应性位点检测发现,在位点模型上,DFR-B有一个正选择发生在54位密码子上；而在枝上位点模型上又检测到在两头毛祖先分化为两种花色的两头毛种时,有一个正选择发生在3-UFGT的64位密码子上。在角蒿属的花青素代谢网络中,净化压力和自然选择是进化的主要机制。对于最上游的查尔酮合成酶CHS-D以净化压力为主,这与其代谢的最上游的要塞位置相符;而下游的加速进化,如DFR-B和3-UFGT,是一种适应性的正选择,这与不同花青素分子底物的专一性选择相关。最后我们尝试用蛋白同源模拟的方法,对适应性进化位点在蛋白构象方面的影响,探求这些位点.与蛋白功能的相关性。结果,在3-UFGT的正选择位点的蛋白结构模拟研究中,正选择位点在模拟的两头毛祖先蛋白结构上发生了明显的构象变化,产生了新的氢键,对底物进入3-UFGT活性区产生影响,这种蛋白结构的变异也为适应性进化提供了佐证。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
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