基于EF1-a基因?qū)ΤＲ?jiàn)禾本科作物的聚類(lèi)分析

押輝遠(yuǎn), 李衛(wèi)濤, 王衛(wèi)東, 焦 貞

(1.洛陽(yáng)師范學(xué)院 生命科學(xué)系 河南 洛陽(yáng) 471022; 2.鄭州大學(xué) 河南省離子束生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南 鄭州 450052)

0 引言

禾本科(Poaceae)植物是單子葉植物(Orchidaceae)中的第2大科，有近700屬，約11 000種.我國(guó)有190多屬，1 200多種[1].不僅包括了水稻(OryzasativaL.)、小麥(TriticumaestivumL.)和玉米(ZeamaysL.)三大糧食作物，還包括高粱(SorghumMoench)、甘蔗(SaccharumL.)等其他重要經(jīng)濟(jì)作物，其中一些雜草是生態(tài)學(xué)的優(yōu)勢(shì)物種和先鋒植物[2].然而禾本科的亞科和族的劃分一直存在較大爭(zhēng)議:Clayton等[3]將禾本科分成6個(gè)亞科；而Soderstrom等[4]則把稻族和菰族從亞科中分離出來(lái)，置于稻亞科中，形成7亞科；GPWG[5]通過(guò)對(duì)質(zhì)體DNA和核DNA數(shù)據(jù)分析及結(jié)合形態(tài)學(xué)的方法將禾本科劃分成12個(gè)亞科.

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，基于基因序列的分子數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于物種分類(lèi)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)和種群遺傳學(xué)的研究中.植物延伸因子EF1-a是真核生物細(xì)胞內(nèi)的第二大蛋白，并且在蛋白質(zhì)合成延伸過(guò)程中起重要作用[6].許多禾本科植物如大麥、玉米、小麥、水稻等的EF1-a互補(bǔ)DNA (complement DNA, cDNA)序列已經(jīng)測(cè)定，通過(guò)比較分析多種植物的EF1-a基因編碼的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)種間的EF1-a基因編碼的氨基酸序列高度保守，同源性高于95%[7]，適合用于種系發(fā)生分析，可以作為研究系統(tǒng)發(fā)育的有力工具[8].目前，依據(jù)形態(tài)學(xué)、不同來(lái)源(核基因組、葉綠體基因組或線粒體基因組)的基因序列開(kāi)展的禾本科植物系統(tǒng)分類(lèi)研究獲得的結(jié)果也都有所差異，而基于EF1-a基因?qū)瘫究浦参锓诸?lèi)的研究少有所見(jiàn).作者對(duì)水稻、小麥、大麥(Hordeumvulgare)、玉米、芒(Miscanthussinensis)、發(fā)草(Deschampsiaantarctica)等禾本科植物的EF1-a基因核苷酸和氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)分析，構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù).旨在進(jìn)一步了解禾本科植物之間的進(jìn)化親緣關(guān)系，為禾本科植物種屬間的分類(lèi)提供確切的分子生物學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 材料

本文中所有EF1-a序列信息來(lái)自NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).

本研究所用植物材料如下：水稻(OryzasativaL.)、小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)、大麥(Hordeumvulgare)、芒(Miscanthussinensis)、發(fā)草(Deschampsiaantarctica)、大豆(Glycinemax).

1.2 方法

利用NCBI中的BLAST軟件對(duì)6種禾本科植物的EF1-a基因序列進(jìn)行同源性比對(duì).運(yùn)用Clustal X version 1.8分析軟件[9]，參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值, 對(duì)28個(gè)基因序列進(jìn)行多重對(duì)比并人工校正.利用MEGA 5.0構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)[10].ME、NJ、UPGMA分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)均采用軟件中的默認(rèn)參數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 核苷酸和氨基酸序列的相似性

稻屬中9個(gè)EF1-a核苷酸序列之間的相似值達(dá)到95%以上，而氨基酸序列之間的相似值達(dá)到99%以上；玉米屬中15個(gè)EF1-a核苷酸序列之間的相似值多數(shù)在90%左右，但也出現(xiàn)了84%左右的低相似值，氨基酸序列之間的相似值相比于水稻也略顯低些.研究表明，水稻EF1-a基因核苷酸序列相似性普遍較高，玉米相似性存在差異，但是氨基酸序列的相似性高于核苷酸序列的相似性，研究結(jié)果支持禾本科植物EF1-a氨基酸序列保守的觀點(diǎn)[11].

2.2 多重序列比對(duì)分析

對(duì)6種禾本科植物28個(gè)EF1-a基因核苷酸序列和氨基酸序列進(jìn)行多重序列比對(duì)分析，結(jié)果表明：核苷酸序列同源性高，氨基酸序列比核苷酸序列的同源性更高，所以氨基酸序列比較適合分子系統(tǒng)發(fā)育重建.

2.3 分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析

用gi|xxxxx代表NCBI中不同的EF1-a基因序列的編號(hào)，利用ME法構(gòu)建核苷酸分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖1.6種禾本科植物被分為4個(gè)組群，引自水稻屬的9個(gè)核苷酸序列材料聚為一支，靴帶支持率100%；引自小麥和大麥的2個(gè)序列材料聚在一起，靴帶支持率100%，它們的親緣關(guān)系更近；引自發(fā)草的材料聚為一類(lèi)；引自玉米的15個(gè)材料在聚為一個(gè)組群的前提下又分為兩個(gè)組群，其中引自芒的一個(gè)材料與玉米組群中的第二個(gè)組群聚為一類(lèi).

利用NJ法對(duì)核苷酸序列構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2.來(lái)自水稻的9個(gè)氨基酸序列聚為一支，靴帶支持率100%；來(lái)自小麥和大麥的兩個(gè)核苷酸序列聚為一支，節(jié)點(diǎn)支持率100%；來(lái)自水稻和麥屬的材料聚在一起，親緣關(guān)系較近；引自玉米的核苷酸序列在聚為一個(gè)組群的前提下又聚為兩類(lèi)，其中引自芒的材料聚在玉米的第二個(gè)類(lèi)群中，表現(xiàn)出一定的親緣關(guān)系；發(fā)草材料單獨(dú)聚為一個(gè)類(lèi)群.

利用ME法對(duì)氨基酸序列構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖3.引用材料被聚類(lèi)分為三大類(lèi)群，來(lái)自水稻的9個(gè)氨基酸序列聚為一類(lèi)，靴帶支持率98%；來(lái)自小麥、大麥的兩個(gè)氨基酸序列聚為一類(lèi)，靴帶支持率100%，然后與發(fā)草聚在一起，靴帶支持率53%；引自玉米的材料被聚類(lèi)分為兩個(gè)大類(lèi)，靴帶支持率分別為90%、65%，其中在第二個(gè)大類(lèi)中，芒以靴帶支持率63%聚在其中.

利用NJ法對(duì)氨基酸序列構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4.來(lái)自水稻的氨基酸序列聚為一類(lèi)，靴帶節(jié)點(diǎn)支持率98%；來(lái)自小麥、大麥的氨基酸序列聚為一類(lèi)，靴帶支持率100%，然后與發(fā)草聚為一個(gè)類(lèi)群；來(lái)自玉米的氨基酸序列聚為一支，靴帶支持率54%，然后被聚為兩個(gè)類(lèi)群.來(lái)自芒的序列插在其中.

利用UPGMA法對(duì)氨基酸序列構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖5.來(lái)自水稻的9個(gè)序列聚在一支，靴帶支持率96%；來(lái)自小麥和大麥的序列也聚在一支，靴帶支持率100%；而玉米的氨基酸序列分布在不同分支，分析價(jià)值不高，但是其他的物種聚類(lèi)明顯.因此，此種方法運(yùn)用在禾本科植物氨基酸序列的聚類(lèi)分析還有待進(jìn)一步的研究.

利用UPGMA法對(duì)核苷酸序列構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖6.核苷酸序列被聚類(lèi)分析分為四大分支，引自發(fā)草的材料單獨(dú)聚為一類(lèi)；引自水稻和麥屬的材料聚為一個(gè)大類(lèi)，然后麥屬和水稻各自聚在一起；引自玉米的材料被聚為了兩個(gè)大類(lèi)，而芒聚在了其中一個(gè)大類(lèi)里面.

通過(guò)對(duì)核苷酸和氨基酸序列構(gòu)建的分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論:利用核苷酸序列構(gòu)建的3種進(jìn)化樹(shù)都能準(zhǔn)確反映禾本科植物的分類(lèi)地位和親緣關(guān)系，并且與傳統(tǒng)的分類(lèi)基本吻合.利用氨基酸序列構(gòu)建的ME樹(shù)和NJ樹(shù)也能反映禾本科植物的分類(lèi)地位和親緣關(guān)系，但構(gòu)建的UPGMA樹(shù)對(duì)玉米的分類(lèi)準(zhǔn)確性不高，原因可能是與玉米亞種較多，基因具有多態(tài)性有關(guān).因此核苷酸序列構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)更適合于屬間的聚類(lèi)進(jìn)化分析，而氨基酸序列保守性高，更適合于種間的系統(tǒng)進(jìn)化分析，3種構(gòu)建方法以UPGMA法對(duì)亞種間的細(xì)化分類(lèi)最為合適.

圖1 基于EF1-a核苷酸序列構(gòu)建的ME樹(shù)Fig.1 ME tree established on the basis of EF1-a cDNA sequences

圖2 基于EF1-a核苷酸序列構(gòu)建的NJ樹(shù)Fig.2 NJ tree established on the basis of EF1-a cDNA sequences

圖3 基于EF1-a氨基酸序列構(gòu)建的ME樹(shù)Fig.3 ME tree established on the basis of EF1-a amino acid sequences

圖4 基于EF1-a氨基酸序列構(gòu)建的NJ樹(shù)Fig.4 NJ tree established on the basis of EF1-a amino acid sequences

圖5 基于EF1-a氨基酸序列構(gòu)建的UPGMA樹(shù)Fig.5 UPGMA tree established on the basis of EF1-a amino acid sequences

圖6 基于EF1-a核苷酸序列構(gòu)建的UPGMA樹(shù)Fig.6 UPGMA tree established on the basis of EF1-a cDNA sequences

3 討論

核苷酸序列是物種進(jìn)化的忠實(shí)記錄者，直接研究其序列變異可以再現(xiàn)物種進(jìn)化歷程，為物種系統(tǒng)演化提供有益的線索[12].因此，基于分子水平的系統(tǒng)發(fā)育研究，對(duì)于揭示植物系統(tǒng)進(jìn)化的本質(zhì)具有重大的意義.作者通過(guò)對(duì)主要禾本科植物EF1-a的基因序列和氨基酸序列比對(duì)分析及構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果表明EF1-a基因?qū)瘫究浦参锓N屬間分類(lèi)具有一定的應(yīng)用價(jià)值.植物延伸因子EF1-a廣泛存在于真核細(xì)胞內(nèi)，其表達(dá)調(diào)控十分保守，與植物細(xì)胞的多種生理生殖反應(yīng)有關(guān).植物種間的EF1-a氨基酸序列高度保守，在種間遺傳進(jìn)化分析研究中作用顯著，所以其不失為遺傳進(jìn)化分析的另一種良好材料.可以根據(jù)該基因的保守序列克隆某一分類(lèi)位置有爭(zhēng)議的禾本科植物的EF1-acDNA序列，與已有的禾本科該基因的cDNA共同構(gòu)建合適的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，作為該物種分類(lèi)的重要參考依據(jù).另外，由于對(duì)植物延伸因子的研究不是很完善，本研究的覆蓋面還不是很廣，要達(dá)到更完善的程度，需要對(duì)植物延伸因子進(jìn)行更多的研究.

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