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中国的龙州椎应更名为龙州柯

来源:秋海棠摘


陈丽,李建强,王恒昌,李新伟,彭焱松   著

 

摘要:龙州椎的系统学位置一直存在争议。不同的学者依据形态学、孢粉学或木材解剖学的证据将该种放入锥属或柯属。为了进一步解决该种的系统学问题,本研究选取了壳斗科7个属的72个代表种,提取了龙州椎和这72个种的细胞核内ITS序列和叶绿体内matK和trnL-F基因进行分析。结果表明:龙州椎和其他柯属植物一样,在ITS2中具有1个碱基的插入和6个碱基的缺失,这个特征在锥属植物中并没有发现;ITS数据分析和这三个序列联合分析的结果都强烈支持将龙州椎放入柯属。这个结论和木材解剖学的结论是一致的。此外,浅杯状不开裂的壳斗、松散排列的小苞片和凹陷的果脐均揭示出龙州椎和柯属近缘。根据这些证据,我们建议将龙州椎放入柯属,并更名为龙州柯。

柯属和锥属关系较为近缘,全世界分别约有300种和120种,均分布于亚洲东南部。分子系统学结果显示栗属和锥属的关系最为近缘,而柯属是这个属的近缘属。现在界定柯属和锥属的问题上还存在问题。

柯属和锥属最基本的区别在于壳斗的结构:柯属具有花壳斗(壳斗无刺,成熟后不开裂,全包或半包坚果),而锥属具有二歧聚伞壳斗(壳斗外具刺,成熟后常常开裂,常全包坚果)。但是,锥属内有些种(比如枹丝锥、藜蒴锥、毛叶杯锥、苦槠、淋漓锥和龙州椎)的二歧聚伞壳斗退化(壳斗杯状,无刺),从而模糊了这两个属之间的界限。1944年Barnett将枹丝锥、藜蒴锥和毛叶杯锥这三个种归为锥属一个的组——藜蒴组。1952-1954年Camus将这三个种以及苦槠作为柯属的一个亚属——假锥亚属。尽管如此,Barnett的观点得到了形态学和分子系统学的支持。

淋漓锥和龙州椎和藜蒴组植物一样具有杯状不开裂的壳斗。Hayata,Barnett、Camus、Govaerts和Frodin认为淋漓锥应该归入柯属;Kanehira和Hatusima认为应将其放入锥属;Masamune、Tomiya和Liao认为可将其作为一个单种属——淋漓属。Kanehira和Hatusima的观点得到了形态学、木材解剖学和叶表皮解剖学的支持。龙州椎是黄成就和张永田基于广西所采的两份标本定名并描述的。刘兰芳和房志坚根据花粉形态学的结果支持黄成就和张永田将龙州椎放入锥属;而何天相根据木材解剖学的结果否定了他们的结论,认为其放入柯属更为合理。黄成就和张永田也认为龙州椎具有柯属和栎属植物的一些特征。

本文对通过龙州椎的形态特征和分子序列(ITS,matK和trnL-F)的研究,试图澄清它的系统学位置。

材料和方法

取材和外类群选取

本文共选取了73个分类群,大多数取自于柯属和锥属。所有研究类群的信息(种名、采集地、凭证标本存放处、GenBank序列号)见附录1。我们自己采集的标本存放在中国科学院武汉植物园标本馆。外类群的选取主要借鉴了前人的研究结果。

DNA提取、扩增和测序

利用改良的CTAB法从新鲜叶片或硅胶固定的叶片中提取出总DNA。ITS的扩增采用了宝生物公司的长片段扩增酶,该酶的GC缓冲液有助于从较为复杂的模板(GC含量较高或多聚结构)中扩增出序列。ITS的扩增程序:(1)94度,1分钟;(2-29)94度,30秒;48.6度,30秒;72度,1分钟;(30)72度,10分钟。扩增和测序的引物均为通用引物ITS4和ITS5。采用EZNA胶回收试剂盒纯化PCR产物,然后将纯化产物在3730plus自动测序仪上测序。有些种的ITS片段直接测序的结果存在双峰。将这些有双峰种的纯化产物进行克隆入pMD-18载体。通过蓝白斑试验和PCR(引物M13+/-)筛选,把具有正确插入方向的克隆进行测序。功能序列的鉴定同Maons的方法。

matK的扩增引物是matK1F、trnK1和trnK2R,PCR扩增程序为:(1)94度,5分钟;(2-29)94度,1.5分钟;48.6度,2分钟;72度,1分钟;(30)72度,15分钟。测序引物为matK1F、trnK06R、matK4F、matK77、matK9R和trnK2R。trnL-F的扩增和测序过程同ITS,扩增引物为c和f。所有序列已提交到genBank中。

序列比对和系统发生分析

采用ClustalX1.83比对所有序列,并手工微调。采用PAUP4.0b10软件进行最大简约型芬妮。所有的位点都是无序和等权的,空位处理为缺失。1000次随机启发式搜索,每步保留10棵树,TBR分支每个重复最多保留20棵树。枝长为0时,搜索终止。30%删除的1000次jacknife重复时,每个重复随机添加10个序列。

采用ILD检测评价ITS,matK和trnL-F的同质性水平,进行100次同质性重复,每个重复随机添加100个序列。Cunning指出:p=0.05作为检测指标可能太保守了,p=0.01并不会降低系统发生分析的准确性,所以我们采取了0.01的标准。

结果

ITS长为575-652个碱基,长度的变化主要是由水青冈属内的插入引起的。柯属植物的ITS2片段中存在1个碱基的插入和2个3碱基的缺失,这是柯属植物所特有的。matK和trnL-F长分别为1738和722-901个碱基。29个分类群的联合矩阵长3415个位点,其中324个位点具有简约型信息。启发式搜索产生14棵最小枝长的树(长度=732步,CI=0.7828,RI=0.8253,RC=0.6460),这14棵树产生一棵严格一致树(图1)。

在锥属的分支中,广义的藜蒴组并没有聚在一起,狭义的藜蒴组形成支持率极高(99%)的一支。从模式产地和副模式产地采样的龙州椎所提取的序列均与柯属植物聚在一起。三个序列单独分析的结果均显示龙州椎和柯属植物聚在一起。同质性检测表明三个序列之间没有异质性(p=0.2)。

为了进一步了解龙州椎和柯属植物的关系,我们共选取了74个ITS序列进行分析,687个位点中有191个具有系统学信息。最大简约性分析得到8837棵最短树(长度=786步,CI=0.5769,RI=0.7670,RC=0.4424)。严格一致树见图2。

1和图2的大致拓扑结构基本相似。图2中,柯属植物的许多聚类结果和分布相关,这与以前的结论是相同的。美国南部的柯属植物——密花柯并没有和柯属植物聚在一起,而是和金鳞果属的植物聚在了一起(99%),龙州椎和柯属中的Pasania亚属的分支聚在一起(90%)。

讨论

我们的系统学分析表明,龙州椎和柯属植物聚在一起,苦槠和淋漓锥没有和藜蒴组聚在一起,广义的藜蒴组是个并系的。广义藜蒴组6种植物形态学上的部分特征的形似可能是趋同进化的结果。

分子结果显示龙州椎和柯属植物聚在一起。三个序列联合分析的结果显示两个产地的龙州椎形成一个单系的分支(91%)。所以,龙州椎应该归入柯属中,这个结果和何天相的结果一致。

黄成就和张永田将龙州椎归入锥属,并认为其与淋漓锥近缘。实际上,龙州椎螺旋排列的叶和每个壳斗内具有1朵雌花以及无刺、不开裂的浅杯状壳斗缺失和;藜蒴组有些相似。但是,该种果脐和其他一些特征有别于锥属。黄成就和张永田最初报道该种具有突起的果脐。我们仔细的观察了模式标本(果实不成熟),发现其果脐是凹陷的、凹陷的果脐在柯属植物中存在,但是锥属植物均不具有。进一步说,龙州椎的雌花单生,若三朵聚生,则很早败育,常常有1(稀2)最终发育成熟(图3)。雌花败育在柯属中较为常见,锥属中几无。龙州椎有时具有混生花序——在柯属中很常见,锥属中花序常为单性的。此外,柯属植物的主干不明显,早分支,我们所观察的几棵龙州椎在基部很早产生2-5分支。

有趣的是,木材解剖学的结果表明龙州椎和柯属植物较为相近,散孔材,具有强烈聚合的宽射线。此外,林金星指出,锥属植物为环孔材或半环孔材,具有聚合射线,这说明龙州椎和锥属植物不同。

刘兰芳和房志坚根据龙州椎花粉外壁结构支持将龙州椎归入锥属。但是许多学者认为在栗亚科中单独利用花粉外壁纹饰来分类是不妥当的。栗亚科中花粉的在大小、形状和外壁纹饰上差异很小,但是总体趋势是相对于锥属(P/E=1.42)来说,柯属(P/E=1.68)和栗属(P/E=1/62)具有更为扁长的花粉。若根据P/E值判断,龙州椎(P/E=1.39)更为接近锥属些。但是,王伏雄认为根据Erdtman的方法所得到的花粉数据对花粉的形状细分是不合理的,因为,花粉的形状是可以随预处理技术改变的。所以我们对根据花粉形态学划分栗亚科的属持怀疑态度。

形态学和孢粉学证据表明龙州椎向藜蒴组一样,是个过渡的类群,基于柯属和锥属之间。我们综合木材解剖学、形态学和分子系统学的结论,我们认为把龙州椎归入柯属更为合理,并将其更名为龙州柯。我们的分子数据显示龙州椎和柯属的部分Pasania类群聚合在一起。

龙州柯  新组合

基原异名:龙州椎

主模式:中国,广西,龙州县,疏林中,350-600米,陈少卿13202(广西植物所标本馆)。

乔木,高10米,基部多分枝,各分枝胸径可达20厘米,树皮灰棕色。小枝黑棕色,无毛,被稀疏的微凸起的灰色皮孔。芽鳞卵形。叶柄长0.5-1.5(-2.0)厘米。叶椭圆形,卵状椭圆形,或有时为倒卵形。叶长7.0-14.0(-17.0)厘米,宽(1.5-)2.2-5.5厘米。硬纸质,略脆,无毛,两面同色,基部渐狭,叶缘具齿,齿尖具腺体,叶尖急尖,中脉两面明显突起;侧脉9-14条,叶面突起。雌花序长1-3厘米,花少,常常败育,单生或有时三朵聚生,花序单性或混生。果序轴长1-3厘米,黑棕色,被稀疏的微凸起的灰色皮孔,着生1(-2)个成熟的和几个败育的果实。壳斗浅杯状,包着坚果基部,小苞片覆瓦状排列,铁生,阔卵形到卵状椭圆形,被灰色微柔毛。坚果长圆锥形,稀卵状圆锥形,高1.5-2.0厘米,横径2.0-3.0厘米,无毛,柱座突起,果脐凹陷,直径4-6毫米。

分布和生境

该种仅分布于中国的广西,常常分布于石灰岩山(广西地貌的主要特征)上。花期3-5月,果期9-10月。

其他的标本

中国,广西,龙州县,疏林中,石灰山,1957.7.4,陈少卿13452(广西植物所标本馆、华南植物园标本馆),同地,2007.10.18,李建强等 1748(武汉植物园标本馆);中国,广西,隆安县,疏林中,石灰山,370m,1982.9.12,蒋英 K0658(华南植物园标本馆),2008.5.25,李建强等 1912,1913,1914,1915(武汉植物园标本馆),2008.7.30,李建强等 1912B,1915B(武汉植物园标本馆),2008.9.15,李建强等1913B(武汉植物园标本馆),2008.10.16,李建强等 1963(武汉植物园标本馆)。

致谢

感谢中国科学院植物研究所的陈之端研究员和李睿琪博士在数据分析中给予的帮助,感谢广西植物所的刘演老师、龙虎山自然保护区的许青松和王桂莲在采样过程中给予的帮助。本研究得到了国家自然基金的资助(30770151,39770062)。



编辑:gx053      更新时间:2009/6/13 9:19:40


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