摘要
桫椤科（Cyatheaceae）作为蕨类植物中十分独特的孑遗类群，科内物种多为大型树状蕨类。现存的桫椤科植物与其化石形态特征基本一致，具有明显的进化保守性，在植物起源和进化等研究中有重要价值。叶绿体是半自主细胞器，在蕨类中多为母系遗传，具有基因组小、拷贝数高和进化速率适中等特点。随着现代分子生物学的发展，叶绿体基因组信息将会为蕨类植物系统发育研究提供新的证据。本研究的目的是从叶绿体基因组的角度探讨简单重复序列（Simple sequence repeat,SSR）分布特征和密码子使用模式的系统发育意义；比较树蕨类和其他蕨类之间叶绿体基因的核苷酸替换率和选择压力，并分析这种特定进化模式的形成原因。在本研究中，我们完成了8种桫椤科植物叶绿体基因组的测序和注释，首次比较分析了桫椤科植物叶绿体基因组的结构、SSR和密码子偏好性等特征，并结合已公布的63种蕨类植物的叶绿体基因组序列采用PAML软件基于分支模型、分支-位点模型和位点模型对桫椤科植物叶绿体基因的适应性进化进行分析。主要研究结果如下： 1.8种桫椤科植物的叶绿体基因组结构高度保守，大小为154046-166151bp，均包含117个基因，即85个蛋白质编码基因、28个转运RNA基因和4个核糖体RNA基因。8种桫椤科植物叶绿体基因组的4个单拷贝（Single copy，SC）区/反向重复（Inverted repeat，IR）区边界以及IR区长度都具有较高的保守性，边界处的基因类型一致，所有物种的IRA-LSC边界均在ndhB基因内，其中黑桫椤叶绿体基因组ndhB基因在IRA区的部分序列长度比较短，为396bp；这8个物种的叶绿体基因间隔区和内含子区差异较大。 2.桫椤科叶绿体基因组SSR的重复类型主要为单核苷酸类型（以A/T碱基为主），SSR位点中均未检测出六核苷酸类型；SSR的分布特征具有属特异性，即粗齿桫椤、大叶黑桫椤、小黑桫椤和黑桫椤叶绿体基因组SSR在数目、相对丰度、相对密度和GC含量上具有相似性，桫椤和中华桫椤，白桫椤和笔筒树叶绿体基因组SSR的分布特征也分别具有相似性。SSR的分布特征可作为桫椤科属水平的一种分类特征。对SSR分布特征的统计分析结果支持将8种桫椤科植物分为3属的分类处理，粗齿桫椤、大叶黑桫椤、小黑桫椤和黑桫椤所在的黑桫椤属作为独立的属。 3.8种桫椤科植物叶绿体编码基因密码子GC12（第1位碱基GC含量和第2位碱基GC含量的平均值）与GC3（第3位碱基的GC含量）不具显著的相关性，有效密码子数与其期望值有差异，大多数基因密码子的偏好性主要受自然选择的影响，其中psbA基因的偏好性较强。8种桫椤科植物叶绿体基因组有20种最优密码子，偏好以A/U结尾。粗齿桫椤、黑桫椤、大叶黑桫椤、小黑桫椤叶绿体基因组密码子偏好性相近，中华桫椤和桫椤叶绿体基因组密码子偏好性相近，白桫椤和笔筒树叶绿体基因组密码子偏好性相近，表明桫椤科属内近缘物种之间密码子使用特征相似。基于8种桫椤科植物叶绿体基因组序列、蛋白编码序列和同义密码子相对使用度分别构建的进化关系相似，表明叶绿体基因的密码子偏好模式可作为一种进化特征。 4.对树蕨类和其他蕨类之间叶绿体基因的核苷酸替换率和选择压力比较分析，发现树蕨类大部分基因的核苷酸替换率减慢，仅rbcL基因经受正选择作用。对树蕨类分支，利用分支-位点模型进行检验，结果显示两个基因（atpI，rps18）经历了显著的正选择作用；筛选出的正选择位点分别是67T和65P，均位于无规卷曲区域。对70种蕨类植物采用位点模型进行分析，共鉴定出10个基因（atpI、ccsA、matK、ndhF、ndhI、rpl21、rpl23、rpl33、rpoA、rpoC1）受到正选择作用。 总结： 以上结果表明，桫椤科植物叶绿体基因组的SSR分布特征和密码子偏好模式可作为一种进化特征，为桫椤科在属水平上的分类提供新的证据。相比于其他蕨类，树蕨类叶绿体基因的核苷酸替换率较慢，这与桫椤科较高的茎干有关；仅rbcL基因经受正选择作用。研究结果为桫椤科乃至蕨类植物的系统发育和分子进化研究提供新的思路和参考。
NETL