兰属植物DNA条形码及系统发育研究

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兰属植物即我们通常所说的“兰花”、“国兰”,主要分布在亚洲热带和亚热带地区。在我国兰属植物栽培历史久远,在养兰、赏兰过程中与传统的文字、绘画艺术和道德情操相结合形成了独特的文化体系—“兰文化”。兰属植物作为名贵的观赏植物,不但可以盆栽、切花,还可以展览和销售,具有巨大的经济价值。DNA条形码技术是以基因组中一段标准的碱基序列作为物种标记进行比对分析,快速、准确地对物种鉴定和分类研究的技术方法,其核心概念是小片段的DNA在种内的变异度小于种间。兰属植物品种间差别细微,杂交品种繁多,种内变异大,种间差异不明显,传统的分类方法存在一定的局限性,因此本研究将DNA条形码技术应用到兰属植物的鉴定和系统发育研究中。  本研究选取ITS、matK、rbcL、psbA-trnH四条DNA序列作为兰属植物DNA条形码候选序列,通过比较各序列扩增效率、测序成功率、种内种间变异、遗传距离分布和构建系统进化树来评价其鉴别能力。  采集的18个种34份兰属植物材料中,ITS、matK、rbcL、psbA-trnH的扩增效率和测序成功率均为100%,对各序列特征分析发现:对齐长度matK最长,psb A-trnH变异位点最多,ITS序列G+C含量最高,rbcL序列则最保守。计算序列K-2-P遗传距离我们可以得到psbA-trnH种内变异最小,ITS种间遗传距离平均值最大,ITS序列Barcoding gap检验效果最好,种间种内分布有明显的间隔区显示出较好的单系性,能成功区分开每个种,每个种的不同个体聚在一起,但在蕙兰和建兰的不同个体间的区分能力较弱;marK聚类结果显示建兰和春兰不同个体能成功聚在一起,但无法将寒兰(C-HZ013)和墨兰区分开,且寒兰(C-HZ012)与春兰(C-HZ003)、莲瓣兰和春剑聚在一起;基于psbA-trnH和rbcL的NJ系统进化树均无法将春兰、建兰、寒兰、墨兰和蕙兰的不同个体聚在一起,显示出较差的聚类结果。通过对4种条形码组合方案ITS+matK、ITS+psbA-trnH、ITS+matK+psbA-trnH、matK+rbcL遗传距离分布、种间种内变异秩和检验、NJ树构建等分析发现ITS+matK条形码组合对兰属植物的鉴定效果最好。使用TaxonGap软件对各个条形码序列和条形码组合的鉴别能力进行评价,结果如下:ITS=ITS+matK=ITS+psbA-trnH>ITS+matK+psbA-trnH>matK+rbcL>psbA-trnH> matK> rbcL。综合上述分析,ITS序列为兰属植物DNA条形码最佳选择。  扩大样本数量,基于ITS序列构建兰属植物系统进化树,结果显示与传统分类基本一致,但冬凤兰与兔耳兰聚类结果与传统分类中所处亲缘关系位置有所差别,有待进一步研究。  本研究结果表明:ITS序列不但可以作为标准DNA条形码用于兰属物种鉴定研究,而且可以用于兰属植物系统发育研究,本研究对兰属植物的物种鉴定和系统分类具有重要意义。
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