同一个属内为什么会出现两大类截然不同的致同进化式样？- - 豆科胡枝子属的ITS致同进化研究

The genus Lespedeza (Fabaceae) consists of 40 species disjunctively distributed in East Asia and eastern North America. Taxonomically, Lespedeza is divided into two subgenera, i.e., subg. Lespedeza and subg. Macrolespedeza. Our preliminary study has indicated that there is relatively high nrDNA ITS diversity within a genome of Lespedeza, implying incomplete concerted evolution. Most interestingly, ITS clones from each species of subg. Lespedeza form a monophyletic group in phylogenetic tree, while ITS clones from all species of subgen. Macrolespedeza are mixed together with no phylogenetic signal at all. This resulting clone distribution has never been described in angiosperms before. This proposal aims to (1) fully clone and analyse ITS sequences of all 40 Lespedeza species; (2) screen low-copy nuclear genes in order to select two to three rapidly evolving low-copy nuclear genes for Lespedeza; (3) reconstruct reticulate evolution of species of Lespedeza by combining new nuclear data with information of chloroplast genes and morphological characters obtained earlier; (4) compare newly obtained evolutionary relationships with complete distribution pattern of ITS clones in the two subgenera and among the species to understand the impacts of hybridization and introgression on the evolution of the ITS lineages and on phylogenetic reconstruction; and (5) assess concerted evolutionary rates in ITS by utilizing molecular and fossil evidence, which has never been reported in literature.

东亚－北美间断分布的豆科胡枝子属包含40种，分为胡枝子亚属和大胡枝子亚属。申请者在对胡枝子属的前期研究中发现：胡枝子属ITS序列在基因组内存在多个不同拷贝，证明其致同进化过程不完全；最有趣的是，胡枝子亚属内同一个种的克隆序列往往在系统树上形成单系的支，但大胡枝子亚属内同一个种的克隆序列则与其他种的克隆序列混杂在一起，说明ITS致同进化在两个亚属中进化式样截然不同。这种类似的同一属内所呈现的截然不同的致同进化式样，在裸子植物中有过发现，但在被子植物中国际上尚未见报道。本项目拟通过对胡枝子属所有物种的ITS序列进行充分克隆及分析，并筛选2-3个进化速率较快的低拷贝核基因片段，结合前期叶绿体片段研究结果和形态特征，重建网状进化，再与ITS的致同进化式样进行比较，探讨杂交渐渗对不同致同进化式样的影响。同时利用分子及化石证据，推算ITS的致同进化速率；探讨不完全致同进化对系统发育重建的影响和启示。

本研究选取了胡枝子属的37个种共50个样品进行了ITS序列克隆，得到序列446条，其中有290个不同的克隆子。如此高的多态性暗示胡枝子属内存在明显的ITS致同进化不完全现象。通过对序列GC含量、5.8S特有基序: M1，M2，M3及二级结构的判定，初步推定了36个假基因序列。进一步建树发现：假基因克隆子主要聚为两大支pseudogroup A 和pseudogroup B，还有部分插入到功能基因为主的分支之中。对功能基因序列的分析我们发现，功能拷贝的克隆子在两个亚属的分布模式截然不同：大胡枝子亚属中来自各个不同物种的克隆子混合在一起，代表它们致同进化速率较低；然而，来自胡枝子亚属的不同物种的克隆子各自聚为一个单系或者关系尚未解决并列于某分支基部，这代表它们致同进化速率较高。基于前人的研究(Muir et al., 2001; Grimm et al., 2007)及胡枝子属内存在大量的物种杂交现象(Clewell,1966; Akiyama, 1982; Ohashi et al., 2005)，我们推测：杂交渐渗可能是造成ITS在胡枝子属基因组内多态性高的重要原因之一，而ITS克隆序列在两个亚属内截然不同的分布式样可能也是由于其不同的杂交程度及杂交频率造成的。. 为了验证上述推测，我们筛选了单拷贝核基因PGK来进一步重建胡枝子属物种系统发育关系和推测属内的网状进化事件。分析结果表明：胡枝子属存在一些明显的网状进化事件，如L.jiangxinensis、L.virginica以及L.daurica的样品都是杂交起源；另外，频繁的种间杂交可能在大胡枝子亚属的进化历史上发挥了重要作用，进一步应证了前面ITS致同进化不完全的推论。. 基于PGK基因推断的三个杂交物种样品：在ITS分析中都仅表现为单一亲本，在L.jiangxinensis 和L.daurica中，其继承了母本的遗传信息；而在L.virginica中，其继承了父本的遗传信息。结果表明：核糖体DNA尽管是双亲遗传，但由于受致同进化的影响，可能会出现双亲同质化的现象，后代随机保存双亲之一的遗传信息。因此，利用ITS进行系统发育重建和探讨杂交及多倍体进进化等许多系统与进化研究的关键问题时，除了要充分考虑和排除假基因的影响外，还要对其双亲同质化现象引起高度重视。