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1、L/O/G/O分子标记与系统植物学研究分子标记与系统植物学研究分子生物学课程论文ppt汇报第第第第1010小组（林学院）：小组（林学院）：小组（林学院）：小组（林学院）： 主要内容主要内容系统植物学的概念系统植物学的概念应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记分子标记在系统植物学的应用分子标记在系统植物学的应用发展趋势与有待解决的问题发展趋势与有待解决的问题41231.系统植物学系统植物学(Plantsystematics) 概念概念系统植物学(Plantsystematics)是指对植物的多样性和分化以及它们之间的各种关系进行研究的科学。与植物分类学的关系与植物分类学的关系植物分
2、类学(Planttaxonomy)是系统植物学中涉及到分类研究的部分。系统植物学和现代植物分类学在很多情况下时可以互换使用的。1.系统植物学系统植物学(Plantsystematics)系统植物学是一门综合性学科系统植物学是一门综合性学科系统植物学是一门综合性学科系统植物学是一门综合性学科胚胎学胚胎学胚胎学胚胎学细胞学细胞学细胞学细胞学古生物学古生物学古生物学古生物学地理学、地理学、地理学、地理学、化学化学化学化学孢粉学孢粉学孢粉学孢粉学解剖学解剖学解剖学解剖学形态学形态学形态学形态学1.系统植物学系统植物学(Plantsystematics) 分子系统学分子系统学(molecularsyst
3、ematics)-在分子水平对植物进行系统学研究的学科，它充分利用丰富的生物大分子数据，借助统计学方法进行生物体间以及基因间进化关系的研究。2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.1 分子标记分子标记(molecular marker)的概念的概念-广义：是指可遗传的并可检测的DNA序列或蛋白质。-狭义：是指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段，即DNA分子标记，而这个界定现在被广泛采纳。-DNA分子标记的本质：是指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异特征的DNA片段。2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记 分子诊断技术分子诊断技术-
4、由于DNA分子中碱基的缺失、插入、易位、倒位、重排或由于长短与排列不一的重复序列等而产生多态性，DNA分子标记便是检测这种多态性的技术，故DNA分子标记技术又称作分子诊断技术。2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记遗传标记遗传标记遗传标记遗传标记DNA DNA DNA DNA 分子标记的优点分子标记的优点分子标记的优点分子标记的优点形态学标记遗传标记的种类遗传标记的种类细胞学标记生化标记不受组织类别、发育阶段等影响。不受环境影响。标记数量多，遍及整个基因组。多态性高，自然存在许多等位变异。有许多标记表现为共显性，能够鉴别纯合基因型和杂合基因型，提供完整的遗传信息。DNA 分子
5、标记技术简单、快速、易于自动化。提取的DNA样品，在适宜条件下可长期保存。 DNADNA分子标记分子标记分子标记：多以电泳谱带的形式表现Restriction fragment length polymorphism, 即RFLP标记DNA Fingerprinting，即DNA指纹技术Random amplification polymorphism DNA,即RAPD标记Simple sequence repeat, 简称SSR标记Simple sequence length polymorphism, 即SSLP标记Amplified fragment length polymorphi
6、sm, 即AFLP标记还有STS标记、SCAR标记等。Single nuleotide polymorphism, 即SNP标记Expressed sequences tags, 即EST标记 分子杂交分子杂交分子杂交分子杂交 PCRPCRPCRPCR反应反应反应反应新型的分子标记新型的分子标记新型的分子标记新型的分子标记2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.22.2 分子标记的方法分子标记的方法RFLPRFLPRFLPRFLPRFLPRFLP2.2.1五种常用于系统植物学研究中的DNA分子标记方法2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.22.2.
7、32.2.42.2.5RAPDAFLPSSRISSR2.2.1 2.2.1 限制性片段长度多态性标记限制性片段长度多态性标记（Restriction fragment length polymorphism,简称RFLP） RFLP分子标记是第一代DNA分子标记，它是指用限制性酶(RE)消化不同个体的同源DNA分子，经过电泳表现限制性片段长度的差异。这种差异是由限制性酶切位点上碱基的插入、缺失、重排或点突变所引起的。 2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.1 2.2.1 限制性片段长度多态性标记限制性片段长度多态性标记（Restriction fragment len
8、gth polymorphism,简称RFLP）案例： Kidwel (1994 年)利用RFLP技术标记对九个相同苜蓿种型Medicago sativa ssp. Sative (L.)L.&L.进行分析，结果发现9 种苜蓿种型中有两种苜蓿和其他的限制性片段不同，通过RFLP技术可以将它们区分开。2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.2 2.2.2 随机扩增多态性随机扩增多态性DNADNA标记标记（Random amplification polymorphism DNA,简称RAPD） RAPD是建立于PCR基础之上的分子标记技术，基本原理是利用一个随机引物(81
9、0个碱基)通过PCR反应非定点地扩增DNA片段，然后用凝胶电泳分离扩增片段来进行DNA多态性研究。 2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.2 2.2.2 随机扩增多态性随机扩增多态性DNADNA标记标记（Random amplification polymorphism DNA,简称RAPD）案例： 周鹤峰等（2011）应用RAPD技术探讨木兰科10 属17 种植物的遗传多样性，认为RAPD技术可以用于木兰科植物的种间鉴别和遗传学研究。 2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.3 2.2.3 扩展片段长度多态性标记扩展片段长度多态性标记（Amp
10、lified fragment length polymorphism,简称AFLP） AFLP是近年来迅速发展起来的一种分子标记技术, AFLP是通过限制性内切酶片段的不同长度检测DNA多态性的一种DNA分子标记技术，其基本原理：先利用限制性内切酶水解基因组DNA产生不同大小的DNA片段，再进行选择性扩增。 2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.3 2.2.3 扩展片段长度多态性标记扩展片段长度多态性标记（Amplified fragment length polymorphism,简称AFLP）案例： 何莹莹等（2012）利用AFLP技术分析了田头菇属的茶树菇及杨
11、柳田头菇基因组DNA的多态性，使用11对引物组合建立了18个供试菌株的指纹图谱。结果证明AFLP技术可用于茶树菇和杨柳田头菇2个形态上非常相似物种的DNA分子指纹图谱构建。2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.4 2.2.4 简单序列重复简单序列重复（Simple sequence repeat,简称SSR） 又称微卫星序列，是一类由几个核苷酸(一般为16个)为重复单位组成的长达几十个核苷酸的串联重复序列，不同品种间其重复长度有高度的变异性，但微卫星DNA两端的序列多是保守的单拷贝序列，根据两端的序列设计一对特异引物，经PCR扩增，PAGE电泳及放射自显影，可以得到因
12、简单序列重复单位数不同而引起的扩增片段的多态性，即获知不同个体在这个位点上由于基本单元重复次数不同而形成的多态性。 2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.4 2.2.4 简单序列重复简单序列重复（Simple sequence repeat,简称SSR）案例： 早在1995年，Rongwen等应用SSR标记技术对96种大豆基因型进行聚类分析，并将其结果与RFLP标记法比较，表明SSR标记比RFLP标记多态性高，非常适合用于大豆遗传特性分析。2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.5 2.2.5 简单序列重复区间简单序列重复区间 (Inter S
13、imple Sequence Repeat，简称ISSR) ISSR是由加拿大蒙特利尔大学Zietkiewicz等于1994年创建的一种分子标记技术,其基本原理就是在SSR的3或5端锚定14个碱基作引物,对两侧具有反向排列SSR的一段序列进行扩增,而不是扩增SSR本身。 2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.5 2.2.5 简单序列重复区间简单序列重复区间 (Inter Simple Sequence Repeat，简称ISSR)案例： 李敏等（2010）用ISSR分子标记技术分析了16个蝴蝶兰品种的亲缘关系，根据分子标记确定的亲缘性远近提出了可能的杂交组合。2.应用
14、于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记2.2.6 2.2.6 五种常用的分子标记技术的比较五种常用的分子标记技术的比较2.应用于系统植物学的分子标记应用于系统植物学的分子标记分子标记分子标记的特点的特点RFLPRAPDAFLPSSRISSR基因组分布基因组分布低拷贝编码序列整个基因组 整个基因组 整个基因组 整个基因组多态性程度多态性程度中等较高较高较高较高DNADNA质量要求质量要求高低低低低DNADNA使用量使用量2-10ug10-25ng50-200ng25-50ng25-50ng同位素使用同位素使用是/否否是/否否否带型统计难易带型统计难易容易中难容易容易3. 分子标记在植物
15、系统学的应用分子标记在植物系统学的应用无融合生无融合生殖小种的殖小种的处理处理分子标记在植物系统学的应用介绍分子标记在植物系统学的应用介绍种间亲缘种间亲缘关系探讨关系探讨的的属及属以属及属以上类群系上类群系统关系统关系3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用3.13.1无融合生殖小种的处理无融合生殖小种的处理无融合生殖的定义-是指由配子体繁殖孢子体而不经过配子融合的生殖过程，其范围仅限于未减数和正常减数分裂形成的胚囊中不受精产生孢子体的过程。-广义的无融合生殖指无性生殖的各种形式：结种子和不结种子。有时称不结种子的无融合生殖为无性繁殖，称结种子的无融合生殖为无融合结籽。3.
16、分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用3.13.1无融合生殖小种的处理无融合生殖小种的处理无融合生殖研究的意义-无融合生殖中的二倍体孢子生殖、无孢子生殖和不定胚后代的基因型与亲本的完全相同，可以种子形式繁殖的无性生殖方式，它可在世代更替中不改变基因型，性状不分离，而使杂种优势固定下来，且可无限地繁殖理想的基因型。-无融合生殖可以使隐性性状能够直接表达出来，而且经过染色体加倍即可以获得纯合二倍体，在育种工作中具有重要的意义。3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用无融合生殖在自然界的植物中比较广泛地存在：柑橘属柑橘属(Citrus)苹果属苹果属(Malus)悬钩子
17、属悬钩子属(Rubus)早熟禾属早熟禾属（Poa）3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用案例案例 唐建民（2006）用RAPD和SSR分子标记对苹果属小金海棠F1代杂种实生苗进行了鉴定研究，实验结果显示在小金海棠和山荆子的79株杂交后代中获得13株有性杂种实生苗。仅占群体总数的16.5%。由此可见具有高无融合生殖特性的小金海棠很难杂交成功。 这一结果对于进一步研究如何克服无融合生殖特性给苹果属植物的杂交育种工作带来的不利影响，最大限度地获得真正的杂种实生苗，对于今后利用具有高无融合生殖特性材料的开展遗传育种工作具有重要的理论和实践意义。3. 分子标记在植物系统学的应用分子标
18、记在植物系统学的应用3.2 3.2 种间亲缘关系探讨种间亲缘关系探讨 种间关系的分析是分子系统学的重要研究内容，由于不同的分子标记可以在不同的类群中产生独特的带型，或者得到种或种以上分类等级特异性的带，因此，DNA分子标记被越来越多地用于种级的分类和种间亲缘关系的分析。3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用案例案例 玫瑰是蔷薇属(Rosa)著名的园艺植物，该属植物存在大量的自然和人工杂种，给其分类和遗传关系研究造成了许多困难，许多用于分类研究的特征难以得到正确评价。一些野生种诸如Rcanina，Rpouzinii，Rsquarrosa，Rcorymbifera等的形态特征非
19、常相似，这些种在进化上彼此非常相近，常常被称为canina复合体”。3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用图1. 基于RADP分析的4种野生蔷薇的树状图（示种内变异）（Millan，1996）3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用图2. 17个蔷薇种间PARD分析树状图（示种间关系）（Millan，1996）3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用3.3 3.3 属及属以上类群系统关系的研究及前景属及属以上类群系统关系的研究及前景 DNA分子标记在植物中属以上分类等级的分类和系统关系分析中相对少见，比较典型的工作是Fritsch等199
20、3年在野麻属（Datisca）、向日葵属（Helianthus）和丝兰属（Yucca）三个属中的研究，他们用了480个10碱基的随机引物，扩增的结果在三个属间具有较高的相似性。3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用案例案例 百合科(Liliaceae)铃兰族(Convallarieae)包括了夏须草属(Theropogon)、铃兰属(Convallaria)、白穗花属(Speirantha)、吉祥草属(Reineckia)、万年青属(Rhodea)、开口箭属(Tupistra)和蜘蛛抱蛋属(Aspidistra)7个属，传统的系统分类学研究结果在各属的系统位置和属间关系问题
21、上存在较大的争议。 3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用黄锦岭等（1996）以这7个属9种植物的叶绿体DNA为材料，比较了其rbcL基因片段PCR产物的RFLP结果(图3)，得到了基于UPGMA的聚类图(图4)。图3. 铃兰族rbcL/ORF片段PCR产物的MspI酶切3. 分子标记在植物系统学的应用分子标记在植物系统学的应用图4. 基于rbcL RFLP-PCR的铃兰族树状图（黄锦岭等，1996）4.发展趋势和有待解决的问题发展趋势和有待解决的问题分子标记与系统植物学研究的发展趋势：设想根据基因序列来制定生物分子分类检索表。4.发展趋势和有待解决的问题发展趋势和有待解决
22、的问题有待解决的问题：1.目前的研究状况很多是只选定一个或几个基因来对某些类群来进行系统学的研究，所以不可避免地存在片面性。对于同样的基因序列，用不同的计算方法得出的结果并不完全相同，有时甚至有较大的出入。2.目前由于人们还缺乏对于生物基因组的整体把握，单依据个别基因来进行系统分类，就会不可避免地存在片面性，所以在现阶段的研究过程中，综合各个方面的资料，包括形态的、解剖的、生理的等等还是必要的。参考文献参考文献1邹喻苹.系统与进化植物学中的分子标记：生命科学专论.科学出版社.2001.2黎裕,贾继增,王天宇.分子标记的种类及其发展J.生物技术通报,1999(4):19-22.3邓剑英,刘忠,康
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24、alfa Germplasm J.Crop Sci.,2003,43:2037-2042.参考文献参考文献8辛业芸. 分子标记技术在植物学研究中的应用J. 湖南农业科学. 2002(4): 9-12.9滕兆岩.星星草RAPD-PCR反应体系建立与优化J.生物技术,2007,17(1):48-49.10 刘曙娜，于林清，周延林，等. 利用RAPD技术构建四倍体苜蓿遗传连锁图谱J. 草业学报. 2012(1): 170-175.11周鹤峰，邵敏，吴惠兴，等. 应用RAPD技术探讨木兰科10属17种植物的遗传多样性J. 生物技术. 2011(6): 46-49.12刘峰. AFLP技术及其在植物学应
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