姚綱, 薛彬娥

基于分子與形態(tài)證據(jù)的桃色無心菜(石竹科)分類地位探討

姚綱1, 薛彬娥2*

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣州 510642; 2. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院, 廣州 510225)

廣義無心菜屬(L. s.l.)是石竹科(Caryophyllaceae)中分類較為困難的大屬之一，基于分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果該屬目前已被拆分為多屬?；谛螒B(tài)學(xué)證據(jù)，桃色無心菜(Edgew.)被置于無心菜屬齒瓣亞屬[subg.(G. Don) Williams]、齒瓣無心菜屬(Benth. ex G. Don)或獨綴草屬[(Edgew.) Pusalkar & D. K. Singh]之中，但都缺少分子系統(tǒng)學(xué)證據(jù)的支持?；贗TS序列重建了繁縷族(Alsineae)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，結(jié)果表明：目前所界定的齒瓣無心菜屬并非單系，桃色無心菜應(yīng)納入獨綴草屬的范疇。此外，還支持將傳統(tǒng)無心菜屬齒瓣亞屬中漆姑無心菜(Maxim.)、匙葉無心菜(C. Y. Wu ex L. H. Zhou)及云南無心菜(Franch.)歸入齒瓣無心菜屬的處理，以及將單花亞屬中紅花無心菜(Pax & K. Hoffmann)歸入獨綴草屬的處理。形態(tài)特征上，花朵單生于枝端這一特征可作為獨綴草屬區(qū)別于齒瓣無心菜屬的重要識別特征。

石竹科；無心菜屬；齒瓣無心菜屬；獨綴草屬；系統(tǒng)發(fā)育；分類學(xué)

無心菜屬(L.)隸屬于石竹科(Caryo- phyllaceae)，傳統(tǒng)界定的無心菜屬超過300種，均為草本，主要分布于北溫帶至寒帶地區(qū)[1]。在傳統(tǒng)分類中，該屬基于花萼、花瓣、花柱及果實等一系列形態(tài)特征被分為10個亞屬[2]。然而近期分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果揭示無心菜屬并非單系，因此對其進行了新的范圍劃定，傳統(tǒng)處理中的眾多亞屬也被提升至屬的地位[3?5]。

Sadeghian等[5]在2015年開展了無心菜屬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究，認為該屬齒瓣亞屬[subg.(G. Don) Williams]與單花亞屬(subg.McNeill)各自所形成的分支均與無心菜屬模式種占據(jù)著不同的系統(tǒng)位置，因此恢復(fù)了齒瓣亞屬的屬級分類等級，即齒瓣無心菜屬(Benth ex G. Don)，并將單花亞屬提升為新屬，即獨綴草屬[(McNeill) Sadeghian & Zarre]。然而，Pusalkar等[6]于2015年比Sadeghian等[5]早3個月將單花亞屬在屬級地位的屬名Pusalkar & D. K. Singh正式發(fā)表。遵循植物命名法規(guī)中的優(yōu)先級原則，獨綴草屬的學(xué)名應(yīng)為[7?8]。在以形態(tài)證據(jù)為主的傳統(tǒng)分類處理中, 桃色無心菜(Edgew.)被置于無心菜屬齒瓣亞屬?？紤]到傳統(tǒng)的齒瓣亞屬已被提升至屬級地位，Rabeler等[9]于2016年將傳統(tǒng)齒瓣亞屬中未進行名稱處理的其他63個分類群全部組合至齒瓣無心菜屬中，其中包括了桃色無心菜[(Edgew.) Rabeler & W. L. Wagner]。隨后, Chandra等于2017年在研究中國-喜馬拉雅(Sino- Himalayan)地區(qū)的獨綴草屬時，基于對館藏標(biāo)本的研究，又將桃色無心菜納入獨綴草屬的范疇, 并做出了新組合:(Edgew.) Satish Chandra and D. S. Rawat[7]。然而這兩次對桃色無心菜在屬級水平分類地位歸屬的處理都是基于形態(tài)學(xué)證據(jù)，缺乏分子系統(tǒng)學(xué)證據(jù)的支持。因此，對于近年來屬級地位歸屬多次發(fā)生變動的桃色無心菜，其合理屬級地位的歸屬以及其準(zhǔn)確物種學(xué)名的確定，還有待進行深入研究加以澄清，尤其需要結(jié)合分子系統(tǒng)學(xué)證據(jù)深入論證。

桃色無心菜在中國分布于西藏東部、南部以及云南西北部地區(qū)，本研究對其開展分子系統(tǒng)學(xué)研究，結(jié)合形態(tài)特征分析結(jié)果，對其屬級地位歸屬及物種學(xué)名等問題進行了探討。

1 材料和方法

1.1 類群取樣及分子序列數(shù)據(jù)

對曾被置于無心菜屬齒瓣亞屬的桃色無心菜(憑證標(biāo)本：LiuJQ-09XZ-ML031, KUN)、漆姑無心菜[Maxim. =(Maxim.) Rabeler & W. L. Wagner] (YangYPQ-2181, KUN)、匙葉無心菜(C. Y. Wu exL. H. Zhou =(C. Y. Wu ex L. H. Zhou) Rabeler & W. L. Wagner] (Yangqe 2366, KUN)、云南無心菜[Franch. =(Franch.) Rabeler & W. L. Wagner] (MY-187, KUN)、玉龍山無心菜[Hand.-Mazz. =(Hand.-Mazz.) Sadeghian & Zarre] (LiuJQ 11XZ068, KUN),以及無心菜屬單花亞屬的紅花無心菜[Pax et Hoffm. =(Pax & K. Hoffmann) Rabeler] (LiuJQ11XZ235,KUN)的硅膠干燥材料取樣，基于改良后的CTAB法[10]提取總DNA;參考White等[11]提供的ITS序列通用引物對取樣類群參考Yao等[12]的方法進行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(poly-merase chain reaction, PCR)擴增；采用Geneious v. 7.1.4軟件[13]對序列進行檢查與拼接?？紤]到目前所界定的齒瓣無心菜屬與獨綴草屬均隸屬于石竹科繁縷族(Alsineae)，因此對該族類群進行擴大取樣,以無心菜屬的模式種無心菜(L.)為外類群，所有類群的選擇參考Greenberg等[3]提供的石竹科系統(tǒng)發(fā)育框架。本研究共取樣11屬56種(含外類群)，其中繁縷族10屬55種，外類群1屬1種，新獲得ITS序列6條(表1)。

1.2 系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建

在Geneious v. 7.1.4軟件[13]中采用默認參數(shù)對所有取樣個體的ITS序列進行比對，構(gòu)建ITS序列矩陣；在jModelTest v. 2.1.7軟件[14]中按照赤池信息量準(zhǔn)則(akaike information criterion, AIC)篩選出序序列矩陣最佳堿基替代模型為SYM+I+Γ; 再采用貝葉斯法(bayesian inference, BI)及最大似然法(maximum likelihood, ML)分別對ITS序列矩陣進行系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建，兩種建樹方法及詳細步驟參照作者近期對莧科(Amaranthaceae)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究[15]。

表1 取樣物種和ITS序列GenBank編號

2 結(jié)果和分析

ITS序列矩陣全長641 bp。貝葉斯法與最大似然法所構(gòu)建的系統(tǒng)樹拓撲結(jié)構(gòu)基本一致，以下對結(jié)果的描述及討論將主要基于最大似然法所構(gòu)建系統(tǒng)樹的拓撲結(jié)構(gòu)展開(圖1)。結(jié)果表明，繁縷族類群形成2個主要分支，其中繁縷屬(L.)、卷耳屬(L.)、三柱卷耳屬[(Bartl. ex Rchb.) Rchb.]、硬骨草屬(M. T. Sharples & E. A. Tripp)、假孩兒參屬(M. L. Zhang & Rabeler)和硬骨繁縷屬(M. T. Sharples & E. A. Tripp)共同形成1個分支[最大似然法分析自展支持率(bootstrap, BS)=70%, 貝葉斯分析后驗概率值(posterior probability, PP)=0.98]，而獨綴草屬、齒瓣無心菜屬、孩兒參屬(Pax)與薄蒴草屬(Fenzl)則形成另1個分支，但該分支支持率很低(ML BS=68%, BI PP=0.88) (圖1)。在后一個分支中，薄蒴草屬最先分出，獨綴草屬與由孩兒參屬和齒瓣無心菜屬形成的分支成姐妹群關(guān)系，但這些屬間關(guān)系支持率均很低。

本研究所取齒瓣無心菜屬物種除了桃色無心菜以外，其他9種形成1個支持率很低的單系(ML BS=34%, BI PP=0.79)，其中除了基部最先分出的柔軟無心菜(Benth. ex G. Don)之外，其他8種形成一個較好的單系分支(ML BS=79%, BI PP=0.99)；本研究完成測序的漆姑無心菜、匙葉無心菜、云南無心菜及玉龍山無心菜在該屬之中的系統(tǒng)位置均得到解決(圖1)。其中漆姑無心菜與粉花無心菜[(Sprague) Sade- ghian & Zarre]、匙葉無心菜與[(Diels) Sadeghian & Zarre]成支持率很高的姐妹群關(guān)系(ML BS=100%, BI PP=1.00)，而云南無心菜則與具毛無心菜[(Franch.) Sadeghian & Zarre]、髯毛無心菜[(Franch.) Sadeghian & Zarre]共同形成一個獲得很高支持的分支(ML BS=100%, BI PP=1.00)，該分支再與玉龍山無心菜成支持率很高的姐妹群關(guān)系(ML BS=99%, BI PP=1.00)。

圖1 基于核基因ITS序列的繁縷族系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。分支節(jié)點數(shù)據(jù)代表最大似然樹自展支持率/貝葉斯樹后驗概率; -: 最大似然樹自展支持率不足50%或貝葉斯樹后驗概率不足0.50或該節(jié)點未能獲得支持。

桃色無心菜與4種獨綴草屬物種形成1個獲得高度支持的單系分支(ML BS=94%, BI PP=0.99), 并與藏西無心菜[(Edgew.) Pusalkar & D. K. Singh]成姐妹群關(guān)系(ML BS=89%, BI PP=0.79)；本研究完成測序的紅花無心菜則與小腺無心菜[(Edgew.) Pusalkar & D. K. Singh]形成支持率很高的姐妹群關(guān)系(ML BS=100%, BI PP=1.00)。

3 討論

3.1 齒瓣無心菜屬的分類學(xué)問題

齒瓣無心菜屬基于模式種柔軟無心菜(Benth. ex G. Don; 圖2: B)而建立。在Sadeghian等[5]的研究中，分別基于核基因ITS序列和葉綠體基因16序列分析的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果均表明傳統(tǒng)無心菜屬齒瓣亞屬并非單系:齒瓣亞屬中除柔軟無心菜(在其系統(tǒng)樹中以異名Hook. f.出現(xiàn))以外的其他物種與傳統(tǒng)無心菜屬單花亞屬、孩兒參屬共同形成1個分支，該分支再與柔軟無心菜成姐妹群關(guān)系，但相關(guān)系統(tǒng)發(fā)育節(jié)點所得支持率均很低。盡管齒瓣亞屬其他物種未能與柔軟無心菜形成單系分支，但Sadeghian等[5]依然將齒瓣亞屬所有物種納入齒瓣無心菜屬的范疇，不過考慮到研究取樣的情況，僅對6種齒瓣亞屬物種給予了新的組合名稱。然而，Rabeler等[9]在未對相關(guān)物種進行任何形態(tài)特征分析或分子系統(tǒng)學(xué)研究的情況下，直接將傳統(tǒng)齒瓣無心菜亞屬其他數(shù)十物種全部移入齒瓣無心菜屬并進行了新組合。本研究基于ITS序列的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系揭示出柔軟無心菜與齒瓣亞屬中除桃色無心菜以外的其他8種形成1個單系，但支持率依然很低。這說明齒瓣無心菜屬模式種柔軟無心菜的系統(tǒng)位置目前還很不穩(wěn)定，因此有必要增加序列片段對該種及其近緣分支類群開展深入的分子系統(tǒng)學(xué)研究，相關(guān)研究結(jié)果將決定傳統(tǒng)齒瓣亞屬中除柔軟無心菜以外所有其他物種的屬級地位歸屬，若柔軟無心菜與傳統(tǒng)齒瓣亞屬其他物種確實占據(jù)著不同的系統(tǒng)位置，齒瓣亞屬其他物種則不能歸入齒瓣亞屬的范疇，有必要對其進行新的分類處理。

3.2 桃色無心菜等物種的屬級分類地位歸屬

Sadeghian等[5]基于分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果, 將傳統(tǒng)無心菜屬齒瓣亞屬和單花亞屬分別提升為齒瓣無心菜屬和獨綴草屬，同時也提供了二者的形態(tài)特征描述，但基本來自于原亞屬水平的特征描述?；ㄐ蝾愋?、萼片頂端形態(tài)、花柱數(shù)目等特征可用于齒瓣無心菜屬與獨綴草屬的鑒別性狀，其中前者花序類型多樣(花單生，或1~3朵，或形成聚傘花序等不同類型)、花萼頂端平截、花瓣頂端齒裂、花柱常2枚(稀3枚)，而后者花單生于枝端(圖2: A)、花萼頂端鈍至漸尖、花柱3枚。但實際上，齒瓣無心菜屬部分物種花萼頂端明顯具尖而并非平截，這與獨綴草屬物種相似；而獨綴草屬部分物種花柱雖常為3枚，但同時也存在具2枚花柱的個體，其中緣毛無心菜[(Edgew.) Pusalkar & D. K. Singh]便是如此[7]。因此，從花序形態(tài)、花萼頂端形態(tài)和花柱數(shù)目等特征來看，目前所界定的齒瓣無心菜屬部分物種與獨綴草屬存在明顯的形態(tài)特征重疊，其中花單生于枝端、花萼頂具尖以及花柱2枚(稀3枚)的桃色無心菜(圖3)便是典型代表，這也正是Rawat[7]將該種移入獨綴草屬的重要原因。本研究的系統(tǒng)發(fā)育研究結(jié)果進一步支持了Rawat[7]對該種的處理, 即(Edgew.) Satish Chandra and D. S. Rawat為桃色無心菜的正確學(xué)名。

Rabeler等[9]曾將無心菜屬齒瓣亞屬中數(shù)十物種組合至齒瓣無心菜屬，漆姑無心菜、匙葉無心菜和云南無心菜這3物種歸并至齒瓣無心菜屬的分類處理在本研究中首次從分子系統(tǒng)學(xué)角度獲得了支持，其系統(tǒng)位置也得到了很好解決。形態(tài)特征上,這3物種花序均為聚傘花序，與齒瓣無心菜屬模式種一致(圖2: B)，不過匙葉無心菜與云南無心菜花萼頂端具尖，又與獨綴草屬相似，這說明Sadeghian等[5]將花萼頂端是否平截作為齒瓣無心菜屬與獨綴草屬的鑒別特征還有待商榷。另外，曾被置于無心菜屬單花亞屬的紅花無心菜基于形態(tài)特征被歸入獨綴草屬之中[8]，該分類處理也在此首次從分子系統(tǒng)學(xué)角度獲得了進一步支持。

圖2 獨綴草屬模式種小腺無心菜(J. D. Hooker, s.n., GH00353890) (A)和齒瓣無心菜屬模式種柔軟無心菜(R. Blinkworth s.n., Wallich Cat. 645, K001111464) (B)的模式標(biāo)本

圖3 桃色無心菜模式標(biāo)本(J. D. Hooker s.n., GH00037640)

另一方面，除了桃色無心菜以外，傳統(tǒng)無心菜屬齒瓣亞屬之中目前已被Rabeler等[9]歸入齒瓣無心菜屬的紫紅無心菜[(Diels) Rabeler & W. L. Wagner]、波密無心菜[(L. H. Zhou) Rabeler & W. L. Wagner]等物種，其花同樣單生于枝端、花萼頂端非平截，這些綜合特征與獨綴草屬相似，而與齒瓣無心菜屬其他眾多物種區(qū)別明顯，將這些物種置于齒瓣無心菜屬是否合理還有待深入研究，尤其需要分子系統(tǒng)學(xué)證據(jù)的支持。因此，后期有必要對目前所界定的齒瓣無心菜屬和獨綴草屬進行深入的形態(tài)特征分析并結(jié)合分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果對其進行全面的分類學(xué)修訂，劃定其界定范圍，明確其形態(tài)特征變異式樣，澄清其物種組成。

致謝 承蒙中國西南野生生物種質(zhì)資源庫提供實驗材料,以及哈佛大學(xué)植物標(biāo)本館(GH)與英國皇家植物園邱園植物標(biāo)本館(K)提供標(biāo)本圖片及數(shù)據(jù)，特此致謝。

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Taxonomic Investigation of(Caryophyllaceae): Insights from Molecular and Morphological Data

YAO Gang1, XUE Bin-e2*

(1. College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;2. College of Horticulture and Landscape Architecture, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

L. s.l. is one of the taxonomically difficult large genera in Caryophyllaceae, it was recircumscribed recently and some other genera were segregated from it based on molecular phylogenetic results. Based on morphological evidence, the speciesEdgew. was placed previously withinsubgenus(G. Don) Williams or recently within the generaBenth. ex G. Don and(Edgew.) Pusalkar & D. K. Singh, however the species has never been included in molecular phylogenetic study. The phylogeny of Alsineae using the nuclear ribosomal internal transcribed spacer (ITS) sequence was reconstructed. The result showed that the monophyly of the genuscircumscribed recently was rejected andwas nested deeply within, thus the specific name(Edgew.) Satish Chandra and D. S. Rawat should be accepted. Additionally, the transfer ofMaxim.,C. Y. Wu ex L. H. Zhou andFranch. to the genusandPax & K. Hoffmann towere all supported here for the first time in molecular phylogenetic analyses. Morphologically, the solitary flower at the top of stem might be a good diagnostic character to distinguish the genusfrom.

Caryophyllaceae;;;; Phylogeny; Taxonomy

10.11926/jtsb.4265

2020–06–15

2020–08–28

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(31500180); 廣東省自然科學(xué)基金面上項目(2019A1515011695)資助

This work was supported by the National Nature Science Foundation of China (Grant No. 31500180), and the Project for Natural Science in Guangdong (Grant No. 2019A1515011695).

姚綱(1984~ )，男，博士，研究方向為被子植物經(jīng)典分類與系統(tǒng)演化。E-mail: yaogang1029@163.com

. E-mail: xuebine@zhku.edu.cn