台灣胡麻花及其近緣種之地理親緣及花色相關基因 CHS 及 CHI 遺傳多樣性研究(2/3)

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(1)行政院國家科學委員會專題研究計畫. 期中進度報告. 台灣胡麻花及其近緣種之地理親緣及花色相關基因 CHS 及 CHI 遺傳多樣性研究(2/3). 計畫類別：個別型計畫計畫編號： NSC94-2621-B-006-001執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日執行單位：國立成功大學生物學系（所）. 計畫主持人：蔣鎮宇. 報告類型：精簡報告處理方式：本計畫可公開查詢. 中. 華民國 95 年 5 月 29 日.

(2) 摘要: 台灣胡麻花為百合科植物，台灣. 是重要的球莖花卉 (http://georgiawildlife.dnr.state.ga.us/. 產特有種之一，主要分布於本島海拔. assets/documents/helobu.pdf)，本屬大. 500-2,500 公尺山區，其大型白色或淡. 部分的種類分布於東亞, 如中國西南. 粉紅的花部有別於近緣種，分布於琉. [H. yunnanensis (W.W.Sm. & Jeffrey) N.. 球群島具白花的 H. leucantha 及具小. Tanaka; H. thibetica (Franch.) N.. 型花的 H. kawanoi，更有別於較遠親. Tanaka; H. alpine (Wang & Tang) N.. 緣種具紫色花的 H. orientalis 及粉紅花. Tanaka], 韓國[H. tubiflora Fuse, N.S.. 的 H. bullata; 這些異域分布的胡麻花. Lee & M.N. Tamura] 及東亞島弧. 屬植物提供了研究親緣地理及基因複. (Tanaka 1997a)。種間的花部形態變異. 製所造成種內遺傳多樣性研究極佳的. 頗大, 如具總狀花序的 H. leucantha,. 素材。葉綠體 DNA atpB-rbcL 結果顯. 以及與其近緣具繖型花序的台灣胡麻. 示，該基因可釐清胡麻花種內之親緣. 花 [H. umbellata (Baker) N. Tanaka]. 關係，至於台灣胡麻花在島內各區域. (Tanaka 1997b)，花色亦為多變，台灣. 之族群在分子上沒有明顯區隔，而且. 胡麻花具白色至淡紫色花，H.. 族群間分化程度相當低，而部分族群. leucantha 為白色花，而 H. orientalis. 與西表島的族群有混雜的情形，顯示. 具紫色花以及 H. bullata 具粉紅花，形. 其為近代分化的結果，此點從 ITS 的. 態多樣的胡麻花提供了研究調控花色. 資料亦可略之一二。至於現已獲得之. 基因分子演化絕佳的素材。. CHS 片段基因上發現，該基因有兩個. 分布於台灣的種類為特有的台灣. 以上的同源複本，並可能擁有其他的. 胡麻花[H. umbellata (Baker) N.. 異源基因存在。. Tanaka]，因具特殊繖型花序而得名，有別於大多同屬物種的總狀花序；台. 關鍵字：百合科、親緣地理、葉綠體、. 灣胡麻花主要分布於台灣中、北部海. 系統分類、Chalcone synthase (CHS). 拔 500-2,500 公尺的山區( Flora of Taiwan Editorial Committee, 1993)，系. 一. 前言: 胡麻花屬(Helonias L.)為百合科. 統親緣上與分布於琉球島弧的 H. leucantha 及 H. kawanoi 最為近緣，外. 植物，全球約有十餘種 (Tanaka 1998;. 部形態上台灣胡麻花大型白色或淡粉. Fuse et.al. 2004), 其中分布於北美的. 紅的花部足以區別具白花的 H.. H. bullata L.不但是瀕危的自然資源更. leucantha 及具小型花的 H. kawanoi，.

(3) 近緣並呈現異域分布的台灣及琉球胡. 目前已取得四種該屬植物族群樣. 麻花植物提供了研究親緣地理及基因. 本, 分別為 H. thibetica (四川,貴州); H.. 複製所造成種內遺傳多樣性研究的理. breviscapa (Maxim.) N. Tanaka (本州，. 想材料。. 四國)；H. kawanoi (Koidz.) N. Tanaka. 分子遺傳的標記 (marker) 不但. (西表島) 及 H. umbellate (Baker) N.. 可顯現族群內及族群間遺傳的變異程. Tanaka (台灣)，並完成 DNA 萃取的工. 度，更在其支系中 (lineage) 保存了許. 作。由葉綠體 DNA atpB-rbcL. 多演化的訊息，其中尤以多為母系遺. noncoding 區域序列，利用 MEGA 進. 傳的胞器 DNA 最具代表性，在植物. 行樹狀圖之構築，結果初步與現有已. 中葉綠體及粒線體 DNA，因為單系遺. 知文獻記載親緣關係相符，且擁有更. 傳，缺乏遺傳重組，可以用來顯現種. 高的支持度，顯示此葉綠體 DNA 片斷. 子傳播的歷史。在過往，大部份的學. 亦可應用於該屬親緣系統分析，然尚. 者，都認為胞器 DNA 因其保守的特. 須其他物種的增補。. 性（不論在基因位置排列上或分子序列上），僅適合高階的系統分類探討(Li 1997)，但是，近來愈來愈多的研究發. (二)、台灣胡麻花族群遺傳分析 a. 葉綠體 DNA atpB-rbcL noncoding 區域 DNA 分析. 現近緣種間或種內的遺傳高度變異 (Whittmore & Schaal 1991; McCauley. 台灣胡麻花族群所擴增出來的葉. 1994; Le Corre et al. 1997; Forcioli et al. 綠體 DNA atpB-rbcL noncoding 區域序. 1998; King & Ferris 1998; Lu et al.. 列長度為 941 個鹼基對，共有 43 個變. 2001; Huang et al. 2001; Chiang et al.. 異位置(4.57%)，其中有 9 個變異. 2003) ，尤其在 noncoding spacer，如. (0.96%)具有親緣系統訊息。. cpDNA atpB-rbcL, trnL-trnF 及 mt. 利用 DnaSP 程式進行各族群之核. DNA rITS 等。而利用胞器 DNA 所推. 苷酸歧異度(nucleotide diversity, π)的. 論的基因樹 (gene genealogy) 可被用. 計算。台灣族群核苷酸歧異度(π)為介. 於重建族群間的地理親緣 (Petit et al.. 於 0.00392-0.00161，其中光復林道族. 1997; Dumolin-Lapegue et al. 1997;. 群具有最高遺傳歧異度，太平山族群. Huang et al. 2002; Lin et al. 2003)。. 則為最低。光復林道與大漢山族群野外數量大族群穩定干擾小，在核苷酸. 二. 結果與討論： (一)、親緣分析與系統分類. 分子的歧異度亦呈現高歧異度。依據該片段變異共訂出 42 個單.

(4) 型(haplotype)，各族群擁有 3 至 8 個單. spacer) 分析. 型，其中北插天山族群具有 8 個單型最高，宇老族群則具有 3 個單型最低。. 台灣胡麻花族群所擴增出來的細. 據推測低單型之族群，皆有強烈的干. 胞核中核糖體ITS DNA序列長度為約. 擾因子發生。. 為750個鹼基對，經排列比對發現其變. 最小遺傳重組事件(minimum. 異度極高，各族群間及各物種間均混. recombination events; Rm)為 2 次，對. 雜一起，無法判定彼此間的關係，顯. 所有物種進行中性測驗(neutrality. 示該基因其演化速率很快，或是基因. test) ，結果顯示大部分族群 Tajima’s D. 快速複製重組的結果，所獲取的資料. 不顯著的小於 0 (P >0.01)，Tajima’s D. 有待進一步分析。. 無顯著的小於 0 指出此基因片段符合中性選汰，然總計全部台灣族群顯著. (三)、Chalcone synthase (CHS) 分析. 偏離中性選汰(P<0.01)，可能台灣各族群間，彼此仍受天擇作用且族群仍在擴張中。利用 MEGA 進行樹狀圖之構. 花色多變的胡麻花有利於對調控花色的 flavonoid 生合成基因功能性基因的分子演化研究，花青素. 築，結果顯示，除大漢山族群形成獨. (anthocyanin)與其他相關色素（如. 立的單支，台灣各地族群皆群聚在一. aurones 與 flavonols）皆與花色的表. 起，因此並不支持台灣大部份的族群. 現有關，這些色素主要藉由類黃素. 為單一起源；主要樹狀圖包含兩個主. (flavonoid) 生合成路徑產生（Durbin et. 要支系其中一個支系包含大部份北部. al. 2003），此一路徑的酵素包括. 族群，另一支系則包含大部份中部族. chalcone synthase (CHS)、chalcone. 群，顯示台灣胡麻花族群並沒有各自. isomerase (CHI)、flavanone. 分化，至於代表南部大漢山族群形成. 3-hydroxylase (F3H)及. 獨立的單支且少數樣本落入中部族. dihydroflavonol 4-reductase (DFR)等. 群，並與親緣相近的西表物種混雜，. （Durbin et al. 2000）；其中 CHS 為此. 這樣的結果可能與冰河的擴張有所關. 一生合成路徑第一個酵素，催化. 連，唯仍需填補南部族群與中部族群. naringenin chalcone 的合成. 間的野外採集空缺，以獲得更強烈的. (Vandermeer et al. 1993)。. 支持結果。 b. 細胞核 ITS (internal transcribed. 現已獲得 CHS 部分片段基因約 395-648bp，經比對發現與火鶴花.

(5) (Anthurium andraeanum) CHS1 及牽牛. mangroves based on nucleotide. 花生(Ipomoea nil) CHS-D 相類似，已. variation of chloroplast and. 知片段位於 CHS 基因中 exon2 之位. mitochondrial DNAs. Molecular. 置。同一樣本中已確定至少有兩個複. Ecology 2001, 10: 2697-2710.. 本，將現已擁有的序列進行初步分析. Durbin ML, McCaig B, Clegg MT. 發現多為同源基因，而其中某些樣本. (2000) Molecular evolution of the. 可能為異源，顯示 CHS 基因的複本至. chalcone synthase multigene. 少有兩個，可能存在一個以上的異源. family in the morning glory. 基因組。. genome. Plant Molecular Biology 42: 79-92.. 三. 參考資料 Avise JC (2000) Phylogeography: the. Flora of Taiwan Editorial Committee (2001) Flora of Taiwan, Second. history and formation of species.. Edition. Editional Committee of. Harvard University Press,. Taiwan, Second Edition. Taipei.. Cambridge.. Taiwan.. Chao S, Sederoff R, Levings CSIII. Fuse S, Lee NS and Tamura MN (2004). (1984) Nucleotide sequence and. Biosystematic studies on the genus. evolution of the 18S ribosomal. Heloniopsis (Melanthiaceae) II.. RNA gene in maize mitochondria.. Two new species from Korea. Nucleic Acids Research 12:. based on morphological and. 6629-6644.. molecular evidence. TAXON. Chiang TY (2000) Lineage sorting accounting for the disassociation. 53(4): 949-958. Futuyma DJ (1998) Evolutionary. between chloroplast and. Biology. 3rd end. Sinauer,. mictochondrial lineages in oaks of. Sunderland.. southern France. Genome 43: 1090-1094. Chiang TY, Chiang YC, Chen YJ, Chou. Lin CC (1966). An outline of Taiwan's Quaternary geohistory with a special discussion of the relation. CH, Havanond S, Hong TN,. between natural history and. Huang S (2001) Phylogeography. cultural history in Taiwan. Bulletin. of Kandelia candel in East Asiatic. of Department of Archaeology and.

(6) Anthropology 23: 7-44. Lin TP, Chuang WJ, Huang SS, Hwang SY (2003) Evidence for the existence of some dissociation in an otherwise strong linkage disequilibrium between mitochondrial and chloroplastic genomes in Cyclobalanopsis glauca. Molecular Ecology 10: 2661-2668. Tanaka N (1997a) Phylogenetic and taxonomic studies on Helonias, Ypsilandra and Heloniopsis I. Comparison of character states (1). Journal of Japanese Botany 72: 221-228. Tanaka N (1997b) Phylogenetic and taxonomic studies on Helonias, Ypsilandra and Heloniopsis II. Evolution and geographical distribution. Journal of Japanese Botany 72: 329-336. Tanaka N (1998) Phylogenetic and taxonomic studies on Helonias, Ypsilandra and Heloniopsis III. Taxonomic revision. Journal of Japanese Botany 73: 102-115. Vandermeer IM, Stuitje AR, Mol JNM (1993) Regulation of general phenylpropanoid and flavonoid gene expression. In: Verma DPS.. (Ed.), Control of Plant Gene Expression. CRC Press, Boca Raton..

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