Passiflora属叶绿体基因组揭示适应性进化与快速辐射的分子机制

编辑推荐：本研究通过测序11个Passiflora新叶绿体基因组(cp)，揭示了该属植物在基因组大小、基因含量和结构上的显著变异，特别是Decaloba亚属的极端重排现象。研究发现clpP、petL等多个基因受到正向选择，并通过比较质体与核35S rDNA系统发育，解决了Astrophea、Passiflora和Decaloba亚属的单系性问题，为理解被子植物叶绿体基因组动态进化提供了新模式。

　　在植物进化研究领域，Passiflora（西番莲属）因其惊人的物种多样性（约520种）和独特的形态特征长期吸引着学者关注。这个主要分布在新热带地区的植物类群，不仅拥有从微小到硕大的异质性花朵，更展现出叶绿体基因组(cpDNA)的异常动态演化现象——包括大规模重排、倒位重复区(IR)的扩张/收缩甚至丢失。这种基因组"不稳定性"与传统认知中"高度保守"的植物叶绿体基因组形成鲜明对比，使得Passiflora成为研究器官基因组演化的理想模型。

维也纳大学等机构的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，通过PacBio长读长测序技术获得11个代表不同亚属的Passiflora叶绿体基因组，结合比较基因组学、选择压力分析和多基因系统发育重建，揭示了三个关键发现：首先，Decaloba亚属展现出迄今报道最极端的叶绿体重排（IR区差异达35kb），而Passiflora亚属则保持相对稳定结构；其次，分支位点模型检测到clpP（编码Clp蛋白酶亚基）、petL（细胞色素b₆f复合体亚基）等关键基因在Passiflora亚属谱系中受到强烈正向选择；最后，基于68个cp基因与核35S rDNA的系统发育分析，首次确证了Astrophea、Passiflora和Decaloba亚属的单系性，但发现Deidamioides亚属实为多系群。

关键技术方法包括：采用液氮-蔗糖梯度法分离完整叶绿体，PacBio RS II平台进行10kb大片段文库测序，CANU+Geneious混合组装策略；使用GeSeq进行基因组注释，Mauve进行共线性区块(LCB)分析；通过CODEML程序计算dN/dS比值，采用M0-M8位点模型和分支位点模型检测选择压力；基于68个cp蛋白编码基因和完整35S rDNA（18S+26S）分别构建ML和BI系统发育树。

研究结果呈现三大突破：

1. 基因组结构变异方面：所有新测序cpDNA保持典型的四部分结构（LSC-IR-SSC-IR），但大小差异惊人（132,736-163,292bp）。Decaloba亚属的P. intricata展现出55,553bp的超大IR区，而同亚属P. adenopoda的IR仅19,852bp。IR区边界分析发现ndhH、ycf1等基因的异常分布模式，暗示频繁的重组事件。
2. 选择压力分析揭示：ATP合成酶基因(atpA/B/E/F)、Rubisco大亚基基因(rbcL)和RNA聚合酶基因(rpoC1/C2)在Passiflora亚属谱系中ω值显著>1（如rbcL p=1.45e^-9）。特别值得注意的是，与冷适应相关的petL基因和蛋白质量控制关键基因clpP均显示强烈正向选择信号。
3. 系统发育解析方面：cp基因组数据强支持（BS=100）Astrophea、Passiflora和Decaloba的单系性，但将Deidamioides亚属物种分散到三个不同分支。核35S rDNA系统发育则出现P. adenopoda（Decaloba）嵌套在Passiflora亚属中的异常情况，反映核质基因组的不完全谱系分选。

讨论部分强调了三重科学意义：首先，Decaloba亚属极端的IR区变异挑战了"IR区维持基因组稳定"的传统认知，其重组机制可能与高密度重复序列相关；其次，检测到正向选择的基因均与能量代谢（atp、pet）、环境适应（clpP、rbcL）相关，为解释Passiflora亚属在安第斯高海拔地区的快速辐射（12种/百万年）提供了分子证据；最后，核质基因组系统发育的冲突提示需要整合更多核基因数据来解决低分类阶元的演化关系。该研究不仅为Passiflora分类修订提供了基因组学依据，更建立了器官基因组动态演化与适应性辐射的新关联模式。