植物物种鉴别中核基因条形码技术应用
植物物种鉴别中核基因条形码技术应用
摘要：DNA 条形码是利用一个或几个短的标准 DNA 片段，对物种进行快速准确鉴定的一种
分子标记技术。核基因条形码序列具有进化速率快，长度保守，进化一致等优点，被广泛应用
于植物分类、进化及亲缘关系分析等方面研究。单拷贝核基因序列进化速率中等，可以直接区
分直系同源和旁系同源，没有内部重复，也没有明显的核苷酸偏向性，在研究植物分类和进化
方面表现出较大优势，主要被用于物种间的亲缘关系及演变史、多倍体植物物种形成及系统关
系分析、多倍体物种基因谱系的来源分析、多倍体物种的基因渗入现象等；多拷贝核基因序列
在一些植物物种中可能与物种的早期分化联系更为紧密，较叶绿体 DNA 条形码更便于区分近
缘物种，被广泛应用于被子植物科内、属内、属间关系系统发育研究，并用于药用植物及混伪
品的鉴别分析。本综述主要概括总结了单拷贝核基因、多拷贝核基因 ITS 和ITS2 序列在植物
中的研究进展，探讨了核基因条形码目前研究存在的问题，并对今后的发展前景进行了展望。
关键词：核基因条形码; 物种鉴定; 单拷贝核基因; ITS;
Research Progress of Nuclear Gene Barcodes Identification Technology in Plants
Bi Yufang Cai Hanjiang Pan Yanhong Wen Xing Wang Anke
Key Laboratory of State Forestry Administration on Bamboo Resources and Utilization,China
National Bamboo Research Center
Abstract：DNA barcoding is a molecular marker technique through the use of one or several short
standard DNA fragments to quickly and accurately identify species. Nuclear gene barcoding sequences
have the advantages of rapid evolution, conservative length and uniform evolution, and are widely
used in plant classification, evolution and genetic relationship analysis. The single-copy nuclear gene
sequence has a moderate evolutionary rate, which can directly distinguish direct homology and para-
homology, without internal duplication or obvious nucleotide bias,showing great advantages in
studying plant classification and evolution, which is mainly used for the analysis of genetic
relationship and evolution between species, polyploid plant speciation and the analysis of systematic
relationship, polyploid species genetic pedigree analysis, polyploid species gene infiltration
phenomenon and so on. The multicopy nuclear gene sequences may be more closely related to the
early differentiation of species in some plant species, are more convenient to distinguish related
species than chloroplast DNA barcodes, which are widely used in the phylogenetic studies of intra-
family, intra-genera and inter-genera relationships in angiosperms, and also for the identification and
analysis of medicinal plants and adulterated products. In this paper, the research progress of single-
copy nuclear genes, multi-copy nuclear genes ITS and ITS2 sequences in plants was reviewed, the
existing problems in the research of nuclear gene barcode were discussed, and the future development
prospects were prospected.
DNA 条形码是利用基因组中一段或几段短的标准 DNA 片段进行物种识别和鉴定的技术(Hebert
et al.,2003;Kress et al.,2005)。可以解决形态分类极易混淆的难题，识别难以区分的隐秘种，而
且可对非完整的生物标本进行鉴定，是传统形态分类与物种鉴定的强有力补充(罗亚皇
等,2013) 。
目前，叶绿体基因组的 rbc L、mat K、trn H-psb A 和核基因组的 ITS 片段被推荐作为多数高等
植物的 DNA 条形码(Kress and Erickson,2007;CBOL Plant Working Group,2009;China Plant BOL
Group,2011)。但由于叶绿体基因组进化较慢，约为核基因组进化速率的一半，开发出来的
DNA 条形码鉴定率相对较低，从而限制其在较低分类阶元(如属,亚属)中的应用(Wolfe et
al.,1987)。单拷贝核基因序列进化速率中等，可以直接区分直系同源和旁系同源，没有内部重
复，也没有明显的核苷酸偏向性，在研究植物分类和进化方面表现出较大优势(杨晨阳
等,2018)；多拷贝核基因序列如 ITS、ITS2 等在一些植物物种中可能与物种的早期分化联系更
为紧密，较叶绿体 DNA 条形码更能有效区分近缘物种(China Plant BOL Group,2011;Wang et
al.,2011)。本综述主要对单拷贝核基因、多拷贝核基因 ITS 和ITS2 序列的研究进行概述，以期
对核基因序列在植物中的物种鉴定和系统发育学研究提供理论参考。
1 单拷贝核基因序列在植物中的应用
1.1 亲缘关系及系统发育分析
单拷贝核基因(single copy nuclear gene,scnDNA)是指基因组中拷贝数只有 1个或几个拷贝的核基
因，大多数属于管家基因。单拷贝核基因属于双亲遗传并能提供大量信息位点，并具有直系同
源、易于扩增测序等优点，只在物种分化时才发生分离，可以更好反映物种的进化史。越来越
多的研究发现，单拷贝核基因可以更加高效的用于植物的分子系统学分析。目前单拷贝核基因
序列主要被用于物种间的亲缘关系及演变史、多倍体植物物种形成及系统关系分析、多倍体物
种基因谱系的来源分析、多倍体物种的基因渗入现象等。
单拷贝基因由于不存在多拷贝，变异信息丰富，具有更高的测序成功率，在探讨物种间的亲缘
关系和系统发育分析上具有较大优势。Michael 等(2001,第九届国际苏铁生物学大会,pp.21)通过
测定 Cy-AG-AM(CycasAgamous)、PEX4、PMP22 和ATG2 等4个单拷贝核基因的分子序列，
分析泽米铁属植物之间的亲缘关系，并利用生物地理学和宏观形态学比较的方法讨论了基于上
述基因片段建立的泽米属的主要支系和新建立的亲缘关系。Joly 等(2006)开发了单拷贝基因
GAPDH 作为蔷薇属植物的核基因标记。Duarte 等(2010)发现杨属、拟南芥属、葡萄属和稻属4
个属植物之间共享的959 个单拷贝核基因。这些单拷贝基因也被应用于杨柳科(Du et al.,2014)、
山龙眼科(Tonnabel et al.,2014)等多种植物的系统关系研究中，为单拷贝核基因 DNA 条形码的
筛选提供了依据。Lu 等(2014)利用 LFY 和NLY 两个单拷贝核基因，重建了裸子植物的系统发
育过程，结果表明 LFY 和NLY 序列可以用来分析裸子植物的科间系统发育关系和属间亲缘关
系。王凡红(2014)选取了3个单拷贝核基因(IBR3＿2,DETl 和SQD1＿1)进行试验，其中 IB-R3
＿2基因的 PCR 扩增率接近 100%，但测序成功率不理想，目前仅在鞭叶铁线蕨系进行了后续
分析。赵奉彬(2016)对中国杨属 17 个代表种 69 个样本选取核基因组单拷贝片段
DSH10、DSH28 进行 DNA 条形码研究，分析结果表明单拷贝核基因 DSH10 和DSH28 的物种
区分能力较好，效果明显优于叶绿体片段，证明核基因片段对于鉴定杨属物种更为适合。李建
芳等(2017)发现单拷贝核基因 RR255 与R257 可用作地黄专用鉴定条形码。杨晨阳等(2018)以利
用单拷贝核基因 GAPDH 对蔷薇属植物的遗传多样性进行分析，构建了基于 GAPDH 基因的系
统发育树，结果表明基于 GAPDH 基因的分类结果与现有蔷薇属分类结果有较大差异，如芹叶
组和桂味组并未形成单系类群，可能与基因交流有关。单拷贝基因在分析植物亲缘关系和探讨
系统发育上具有良好效果，但是部分植物的分子分类结果与传统形态分类结果显现出较大差
别，分析发现可能是在物种间基因进行了重新组合的缘故。
1.2 物种起源和系统演化
在揭示物种起源、重建杂交物种形成过程时，叶绿体基因为单亲遗传，无法为杂交起源提供依
据，多拷贝核基因由于协同进化等原因，可能提供不可靠信息，而单拷贝基因由于不存在协同
进化，具有父母双方的遗传信息，在揭示物种起源上具有不可取代的作用。Wang 等(2014)利用
24 个单拷贝核基因序列，分析了杨树的系统发育关系，推测了杨树杂种的起源。唐政(2014)利
用9个单拷贝核基因(SCNGs)，对 27 份柑橘属及其近缘种的演化进行研究，揭示了柑橘属及其
近缘种的亲缘关系和演变历史，为进一步利用单拷贝基因分析研究柑橘属系统演化提供帮助。
董山平(2015)克隆测序获得单拷贝核基因 Leafy、RPB2 等序列，并构建系统发育树，分析榆叶
‘ ’梅与其它近缘种的亲缘关系，研究发现矮扁桃、榆叶梅、长柄扁桃为一个类群，紫烟 榆叶梅
可能为杂交起源，其父母本可能一方来自榆叶梅，另一方来自山桃或中国李或其它近缘种。单
拷贝基因在研究物种起源进化上提供了重要依据，利用单拷贝基因分析植物与近缘种的亲缘关
系及演变历史、揭示杂种起源，将为系统演化提供理论依据。
1.3 物种界定及遗传变异分析
传统的物种界定主要依赖于形态特征，但杂交给物种界定带来了巨大困难，传统分子标记仅仅
从基因频率角度进行聚类分析，往往忽略了建树分析，而由于物种杂交，导致叶绿体基因在种
间共享，造成其在物种界定分析中的失败，单拷贝核基因基因组中只有一个成员，且直系同
源，在物种界定和遗传变异分析方面起到了重要作用。余双炳(2015)利用单拷贝核 Pgk1 基因探
讨东亚、中亚以及青藏高原、欧洲 4个冰草(A.cristatum)居群对不同环境所发生的进化；基于
Nei's 的基因分化系数表明居群内变异是冰草物种的主要变异来源。并结合地质历史事件，分析
了其进化成因。杜淑辉等(2016)对4个欧洲山杨自然居群 72 个个体的 6个单拷贝核基因标记
(sing-copy nuclear markers)进行扩增与测序，并进行生物信息学分析，研究中国新疆地区欧洲山
杨自然居群的遗传多样性与遗传分化水平。遗传多样性指数为 0.73，表明欧洲山杨表现出较高
的遗传多样性水平；AMOVA 分析表明山杨居群间表现出较低的遗传分化水平，遗传变异主要
存在于居群内。陈君(2017)发现可利用在白栎组(Section quercus)中开发的 19 个单拷贝核基因序
列，进行白栎组系统发育关系研究，并可以对白栎组进行较好的物种界定。结果表明白栎组物
种以南北为界限分为两支。除 ㈣萃饨诘愕暮笱楦怕识疾桓撸 可能原因是共享祖先多态或基� �
因渐渗的结果。单拷贝核基因由于可以直接区分直系同源和旁系同源，进化速率更快，序列更
为丰富，目前在植物亲缘关系分析、物种进化、多倍体物种来源分析等方面取得了良好进展，
但由于多数植物的基因组信息不够丰富，单拷贝核基因还不能作为通用的 DNA 条形码序列，
随着基因组新一代测序的发展，越来越多的单拷贝将被挖掘出来，将为单拷贝核基因的筛选提
供有效依据。
2 ITS 序列在植物系统发育和混伪品鉴定中的分析
2.1 属间关系系统发育分析
ITS 即nrDNA 的内转录间隔区，为 rDNA 基因中 5.8S rDNA 和28S rDNA 基因间隔序列，具有
序列高度变异性、长度保守性、一致进化、进化速率快等优点，可提供详尽的、系统学分析所
需的可遗传性状，主要被广泛应用于被子植物科内、属内、属间关系系统发育，以及一些混伪
品的鉴定研究(Powerse et al.,1997) 。
ITS 序列由 5.8S、ITS1 和ITS2 组成，进化速度较快，被广泛应用于植物属间的系统发育分
析，揭示植物与其近缘属之间的亲缘关系。Hodkinson 等(2000)运用ITS 序列和 AFLP 标记结合
的方法对比研究了刚竹属、方竹属、倭竹属、唐竹属、新小竹属35 个竹种的系统发育关
系。Guo 等(2001)以高山竹筱竹属复合群及其近缘属箭竹、玉山竹属和悬竹属等不同类群为材
料，利用 ITS 核糖体DNA 内转录间隔区序列分析了 ITS 序列在界定竹类植物属间的可靠性。
姚娜等(2014)对8个牧草物种共22 个品种进行 ITS 扩增并测序。ITS 的扩增成功率和物种鉴定
成功率均达到 100%，同源性分析表明物种间变异位点多、变异显著，表明 ITS 序列可以作为
鉴定牧草的DNA 条形码。成宇等(2018)对贵州省 19 科26 属30 种林木树种植物 ITS 序列进行
PCR 扩增及测序，并计算了种内、种间遗传距离，构建了系统发育树。结果得出ITS 序列对 30
种林木树种的鉴定成功率为 83%,ITS 序列可作为林木树种DNA 条形码的候选序列。王苗苗等
(2018)利用 ITS 序列对竹亚科 13 个属 76 个竹种进行 DNA 条形码分子鉴定，分析结果显示，种
内遗传距离远小于种间遗传距离，ITS 序列可用于竹类资源的物种鉴定研究。在以上植物属间
关系研究中，ITS 序列均达到了较高的扩增成功率和物种鉴定效率，种内遗传距离小、种间遗
传距离大、变异位点多、变异显著，较好地揭示了植物属间的亲缘关系。
2.2 属内关系系统发育研究
ITS 序列由于在植物较低分类阶元上核苷酸序列的长度保守和高度变异，可提供的遗传性状较
为详尽，在分析属内亲缘关系上也应用颇多。Li 等(2012)以国产63 种榕属植物为研究对象，分
析DNA 条形码在榕属植物中的的鉴定效果。研究表明，ITS 片段可以成功地分辨出其中 45
种，物种分辨率达75%。付涛等(2015)采用ITS 序列对 11 株野生樱属植物进行分子鉴定，分析
得出ITS 种间变异程度较大，可作为鉴定樱属植物的标准条形码。钟浩等(2016)利用核糖体基
因(nrDNA)的内转录间隔区(ITS)序列对 9个茶竿竹亚属竹种进行了分析，探讨了怀集县铁厘茶
竿竹和白水茶竿竹与其它茶竿竹亚属竹种之间在分子水平上的差异以及它们的分类地位。付涛
等(2018)以30 种典型樱属植物为试验材料，对其 ITS 序列进行测序分析并构建系统发育树，研
究结果进一步确定了 ITS 序列可以作为鉴定樱属植物的核心条形码序列。覃瑞等(2019)利用 ITS
序列分析，揭示了9种乌头属植物之间的亲缘关系。ITS 序列在分析属内种间的亲缘关系上起
到了良好的效果，通过测序分析和系统发育树构建，探讨了植物在分子水平上的差异及其分类
地位，可为传统分类作强有力的补充。
2.3 与近缘植物的区分及混伪品的鉴定研究
ITS 由于进化速度快，变异程度高等特点，也适用于与近缘种的区分和混伪品的鉴定研究。吴
劲松等(2014)对41 份白及属药用植物样品基因组 DNA 的nrDNA ITS 进行扩增、测序及序列分
析，比较物种种内种间的变异，并评价不同序列的鉴定能力。结果显示，白及属物种 nrDNA
摘要：
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植物物种鉴别中核基因条形码技术应用 摘要：DNA条形码是利用一个或几个短的标准DNA片段，对物种进行快速准确鉴定的一种分子标记技术。核基因条形码序列具有进化速率快，长度保守，进化一致等优点，被广泛应用于植物分类、进化及亲缘关系分析等方面研究。单拷贝核基因序列进化速率中等，可以直接区分直系同源和旁系同源，没有内部重复，也没有明显的核苷酸偏向性，在研究植物分类和进化方面表现出较大优势，主要被用于物种间的亲缘关系及演变史、多倍体植物物种形成及系统关系分析、多倍体物种基因谱系的来源分析、多倍体物种的基因渗入现象等；多拷贝核基因序列在一些植物物种中可能与物种的早期分化联系更为紧密，较叶绿体DNA条形码更...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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格式：DOCX
时间：2024-04-23
