PCR技术（十三）：PCR用于进化分析

进化遗传学具有两个并列的研究方向：系统发育的重建和种群分析。自1962年，Zuckerkandl和Pauling提出蛋白质序列和基因序列的比较可以象分子种一样用于标志现存物种分化的时间以来，各种生化方法被用于系统发育的研究。

在最初二十年内， 同功酶的电泳分析、免疫学比较和蛋白质序列分析被广泛地应用。而最近，DNA-DNA 杂交和核糖体RNA序列分析为分类学做出了重要贡献。这些技术大多有局限性，因为它们是估计而不是直接测量序列的差别。

那些把注意力集中在同功酶的分析及细胞核和细胞器DNAs限制图谱分析上的种群生物不需要具有更高分辩率的方法。

直到如今，要获得比几个典型生物更多的序列数据都是不现实的。在筛选克隆文库、制作克隆子的图谱及测序上所需的努力过大，以 至对特定物种进行更多的个体检测是不可能的。聚合酶链瓜在克服了用于进化研究的 传统DNA分析法的局限性。

通用引物

初看，对序列了解得不够好象限制了PCR的应用，因为对序列的某些了解是设计PCR引物所必需的。幸好，有一种获得新物种引物序列的快速方法。

通过选择广泛保留在不同物种中的序列，可设计出通用引物，用于扩增一个特定细胞核或细胞器的基 因片段，此基因片段可取自一个较大类群的绝大多数成员，如：植物或真菌。这就把 系统发育的序列比较分析范围扩展到了纲或门的分类水平上。而且此法对鉴定标本和划分生物类型在种群中的位置起重要作用。

基于这些目的，线粒体DNA（mtDNA）序列 较适用。下面，我们详述对于细胞核及线粒体序列均适用的通用引物。线粒体基因法是一个精确的检测方法；因为mtDNA进化非常快，设计此分子的引物会发生困难。

核基因引物

引物的概念在大量的RNAs直接测序中已使用多年。那些相同的引物极易配对，通过PCR扩增核糖体DNA序列。rDNA扩增具有几个超过rRNA直接测的优点。

首先，DNA可作为起始物质，而用从组织中制备DNA比制备RNA容易。第二，样品用量更少。最后，用各种测序酶及技术进行的DNA测序可用来从两链上获得数据并绕过核糖 体RNAs复杂的二极结构对其进行测序。

例如，我们设讦的引物可扩增许多真菌、原生动物、藻类、植物及动物的18SrDNA上约515bp的片段（扩增区加引物约为555bp）。引物NS1和NS2的设计依据为酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae)、Dictyosteliumdiscoideum和Stylonichiapustulata 18S rDNA 中的保守核苷酸序列，这在其它地方也有详述。

NS15'-GTAGTCATATGCTTGTCTC-3'

NS25'-GGCTGCTGGCACCAGACTTGC-3'

NSl和NS2在本章叙述的实验条件下不扩增细菌或线粒体rRNA基因。NS1和NS2扩增片段的序列差异（对某些生物是长度的差异）有助于对分子分化进行初步估计，即在有各种生物的自然群中决定不同的物种数量。

这些引物也可用于检测在提取自动物或 植物组织的原始DNA中是否有真菌DNA的污染。Medlin及其助手详述了可扩增低等真核 生物完整的18s基因的其它引物，这些引物对于此类生物的系统发育研究比NS1和NS2 更有用。

线粒体DNA引物

对线粒体基因序列的研究适于解决许多在进化及种群生物学中的问题。因线粒体在脊椎动物中进行无性繁殖遗传，它是重建母性系统发育的理想模型。其高速率的点 突变进化使它成为在种间进行高分辩率的种群研究的典型，其在物种中突变的迅速固定也使其分子成为物种鉴定的理想依据，尤其是对小型生物而言。

因脊椎动物mtDNA进化速率非常快（约为核基因的10倍），寻找保守序列作为PCR的启动位点会很困难。图1所示为扩增细胞色素b基因上一个370bp区段（扩增片段为 376bp）的两个引物的位置。

经检测，细胞色素b存在于大多数脊椎动物（哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类和鱼类）。引物Ll4841和Hl5149在已发表的核苷酸序列的保守区上。字母L和H表示mtDNA的轻链与重链，数字表示引物3'碱基在已发表的人类完整mtDNA序列上的位置。

Ll48415'-AAAAAGCTTCCATCCAACATCTCAGCATGATGAAA-3'

Hl51495'-AAACTGCAGCCCCTCAGAATGATATTTGTCCTCA-3'