基于PGIP基因的薔薇科植物分子進化樹構建與分析

摘要：從NCBI網站篩選到97條薔薇科植物PGIP基因序列，用鄰位相接法構建系統進化樹，分析他們之間的親緣關系。結果表明，薔薇科植物PGIP基因可聚為17個類群，這與傳統的分類結果基本一致，初步探討了吐根樹、耆葉梅、Cercocarpus ledifolius、Purshia tridentate、Horkelia cuueata和卡塔林硬木的親緣關系，對進一步研究薔薇科植物之間進化與親緣關系提供參考。

關鍵詞：薔薇科植物；PGIP基因；分子進化樹；親緣關系

中圖分類號：Q78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5672-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.059

Construction and Analysis of Molecular Phylogenetic Tree of

Rosaceae plants Based on PGIP gene

ZHU Pei-pei， LI Yan-mei， HOU Yong-zhi， YANG Ying-jun

（College of Forestry， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， Henan，China）

Abstract： 133 PGIP genes of Rosaceae family from the NCBI web site were obtained， 97 complete available sequences were screened for using to analyse the evolutionary relationship. Molecular dendrograms were constructed by using MEGA6 methods. Phylogenetic tree analysis showed that PGIP genes can be mainly divided into 17 groups，and the classification results were the same as the based on traditional ways. The PGIP genes evolutionary relationship from Porteranthus trifoliatus，Chamaebatiaria millefolium，Cercocarpus ledifolius，Purshia tridentate、Horkelia cuueata and Lyonothamnus floribundus had the closest relationships. The study provided theoretical basis for the genetic evolution of Rosaceae plants.

Key words： Rosaceae；PGIP genes；molecular phylogenetic tree；genetic relationship

薔薇科（Rosaceae）是一類重要的植物種類，目前全世界約有124屬，3 300余種，主要分布于北半球溫帶地區。中國共有51屬，1 000余種。本科植物中大多數種類果實含豐富的維生素、糖和有機酸等，有許多是重要的水果和干果，也是一些重要的食品與醫藥的加工原料。

植物在自然界中受到各種病菌侵害的危險。病菌菌絲侵染植物細胞壁時，能分泌多種水解細胞壁的酶，如多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，PG）、果膠甲基酯酶（Pectin methylesterase，PME）、果膠裂解酶（Pectate lyase）等[1]。其中多聚半乳糖醛酸酶可以降解植物細胞壁中的果膠、破壞細胞的完整性[2，3]。植物在抵御病原菌的進化中，也步形成了一系列自衛防御機制，如生成多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（Polyga-lacturonase inhibiting protein，PGIP）。PGIP是一種特異性結合和抑制真菌內切PG活性的植物防御蛋白，能專一性、可逆地與真菌多聚半乳糖酶結合，競爭性抑制病原菌PG酶的活性，阻斷病原菌的侵染和抑制相應病害的發生[1，4]。此外，PGIP在與PG的相互作用使植物細胞壁形成有生物活性的寡聚半乳糖醛酸（Oligogalacturonide，OG），能有效地激活植物體內的防御系統，從而誘導植物的抗病性響應，植物獲得系統抗病性[5]。在植物免疫方面，PG-PGIP的互作方式已成為蛋白質識別的模式系統[6]。另有報道， PGIP還與花器官發育[7，8]、種子萌發[9]、脅迫反應、果實冷藏和果實的病蟲害響應有關[10]。因而，PGIP的研究已成為抗病基因工程和果實耐貯藏基因工程研究的熱點。研究人員已經克隆了多種植物PGIP基因[11-18]。

目前，世界主要的數據庫已經收錄了多種植物 PGIP基因序列信息，本研究對薔薇科植物PGIP基因序列進行篩選、整理，經過比對、分析，探討薔薇科植物各屬各種之間的進化與演化關系，為薔薇科植物分類、鑒定和新品種選育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 數據來源與獲得

所有序列信息主要來自美國NCBI（The National Center for Biotechn-ology Information）網站，進入NCBI主頁（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov），選擇下載序列。

1.2 方法

1.2.1 數據甄別與篩選 打開下載的基因序列，查看序列信息，將非PGIP基因、長度極短序列全部排除，整理篩選序列，備用。

1.2.2 數據分析 運用MEGA6軟件進行多序列比對，并用鄰接法（Neighbor-Joining）構建N-J進化樹，并采用Bootstrap 1 000檢驗分子系統樹各分支的置信度。

2 結果與分析

2.1 基因序列搜索

至2014年5月30日，在NCBI數據庫中搜索可以得到薔薇科植物PGIP基因序列共計133條。經過進一步篩選，共得到97條準確可用的基因序列（表1）。

2.2 聚類分析

2.2.1 系統發育分析 對97條基因序列運用MEGA6軟件進行比對，并用鄰接法構建分子進化樹（圖1）。

通過對進化樹的分析，可見薔薇科植物的97條PGIP基因序列大致可以分為十七個類群（表2），其中屬于蘋果亞科的植物23個，被分在3個群中，薔薇亞科的植物28個，分在4個群中，繡線菊亞科植物19個分在3個群中，李亞科植物6個分在2個群中，還有一個群中含有薔薇亞科、李亞科兩個亞科，有4個群的植物分類地位沒有確定。各群所含有的植物數量不同，但這些植物的PGIP基因序列在或遠或近的距離內先后聚類到一起，說明PGIP基因在這些植物的某方面存在類似的特征或特性。

3 小結與討論

植物病菌菌絲侵染植物時，會釋放出PG破壞植物的細胞壁。PGIP作為細胞壁結合的特異性蛋白質能夠與病原菌PGs專一地、可逆地結合，形成一種高親和的復合物抑制endo-PG活性，激活包括PGIPs在內的一系列防衛相關基因，增強植物的抗病性以抵御病原真菌的侵入[4，5]。據初步統計，國內外已先后從薔薇科的許多植物中克隆了PGIP基因，并對其基因序列和氨基酸序列、蛋白質的高級結構和組織特異性表達、PGIP在植物抗病中的作用以及在抗病育種中的應用進行了深入研究[12，16]。

本研究在Genebak上搜索得到有關薔薇科植物PGIP基因序列共計133條，除去長度過長或過短的序列，以及非DNA序列，一共得到97個物種的97條可以使用的序列。通過MEGA軟件對PGIP基因序列進行系統進化分析，繪制同源進化樹。

在PGIP基因序列聚類分析中，薔薇科的4個亞科植物按照PGIP基因序列相似性程度的高低，基本依照傳統的種屬親緣關系先后聚類在不同的群中，表明根據基因序列進行物種的演化分析是可行的。PGIP基因序列的相似性越高，則越先聚在一起。其中也有一些屬于同一亞科的植物卻聚在不同的聚群中，這可能與序列所屬的物種的種屬親緣關系較遠或者是PGIP的相似性差異較大。

吐根樹、耆葉梅（蕨葉屬的一種）、蕨葉屬、Cercocarpus ledifolius、Purshia tridentate、Horkelia cuueata和卡塔林硬木等都是原產于北美山區的灌叢、林地或森林野生植物，它們物種的分類地位不夠明確。本研究聚類結果表明，吐根樹、Cercocarpus ledifolius、耆葉梅、蕨葉屬和Purshia tridentate的PGIP基因序列在較近的距離內相聚，可能表明其親緣關系可能較近，卡塔林硬木與繡線菊亞科和薔薇亞科植物并列，顯示了他們之間較遠的親緣關系。Horkelia cuueata是原產于美洲的薔薇科植物，目前尚未確定其分類地位，聚類結果顯示，其PGIP基因序列與委陵菜屬植物和蛇莓屬植物在較近的距離內相聚，表明他們之間的親緣關系可能較近。這些結果為進一步研究薔薇科各亞科植物的起源、演化與親緣關系了提供參考。

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