仙人掌属植物叶绿体基因组进化动态与种质资源研究：揭示可持续燃料和食品关键物种的遗传多样性

为解决仙人掌属(Opuntia)物种鉴定困难、系统发育关系不清及叶绿体基因组结构变异机制不明等问题，研究人员开展了40种仙人掌属植物叶绿体基因组(plastome)比较分析。研究发现该属存在倒置重复区(IR)极端收缩(338 bp)与扩张(30,530 bp)现象，揭示了IR动态演化与干旱适应性的关联，并筛选出6个高变非编码区作为分子标记。该研究为仙人掌资源利用和进化研究提供了重要基因组工具，发表于《Industrial Crops and Products》。

　　

在干旱半干旱地区，仙人掌属(Opuntia)植物因其卓越的抗逆性和多功能性被誉为"沙漠黄金"。作为Cactaceae科最具经济价值的属，其154个物种不仅是传统药用资源，更是 FAO 认证的战略作物，2020年全球市场规模达19亿美元。然而，该属物种因形态相似性高、种内变异大、多倍体化和频繁杂交等特点，导致传统分类面临巨大挑战。尽管分子标记的应用改善了系统发育解析度，但现有标记在近缘种区分上仍显不足。更引人注目的是，近年研究发现仙人掌叶绿体基因组存在惊人的结构变异——尤其是倒置重复区(Inverted Repeat, IR)的长度从典型被子植物的25 kb极端收缩至657 bp，甚至完全丢失，这种变异被认为与干旱适应相关，但缺乏系统性进化研究。

针对这些科学问题，国内某研究机构的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表了题为"Comprehensive plastome analysis in prickly pear cactus (Opuntia, Cactaceae)"的研究论文。该研究通过Illumina NovaSeq 6000平台对40种仙人掌属植物进行叶绿体基因组测序，结合已公开的32个近缘种数据，采用比较基因组学、系统发育分析和祖先状态重建等方法，揭示了IR动态演化规律及其适应性意义。

关键技术方法包括：(1)使用GetOrganelle进行叶绿体基因组de novo组装和PGA注释；(2)通过mVISTA和DnaSP筛选高变区；(3)基于72个蛋白编码基因构建ML系统发育树；(4)利用BEAST进行分化时间估算；(5)采用phytools和BayesTraits重建IR演化历史。样本涵盖8个部落的代表性物种，包括9个新测序种和31个NCBI数据库获取的种质资源。

结构特征与基因丢失
研究发现仙人掌叶绿体基因组大小从121,985 bp到152,717 bp不等，基因数量110-139个，呈现显著的IR相关结构变异。14个物种完全丢失ycf2基因，accD基因普遍假基因化并伴随clpP内含子丢失，这些变化可能与干旱环境下的基因组精简策略有关。

物种鉴定标记开发
通过核苷酸多样性(Pi)分析鉴定出6个高变非编码区(ndhJ-trnF等)，其构建的NJ树与全基因组CDS树拓扑结构一致，bootstrap值>90，为物种鉴定提供了新工具。同时检测到51-67个ptSSRs，其中12个物种含有独特SSRs，可作为特异性分子标记。

选择压力与密码子偏好
Ka/Ks分析显示rpo基因家族(RNA聚合酶亚基)在多个支系中Ka/Ks>1，表明正选择作用。密码子使用偏倚分析显示强烈倾向A/U结尾密码子，ENC值33.62-59.42，反映叶绿体基因组的AT富集特性。

IR结构变异与进化
研究首次将仙人掌IR分为四型：IRL型(近完全丢失，<1 kb)、IRC型(收缩型，<17 kb)、IRN型(正常型，16-23 kb)和IRE型(扩张型，>29 kb)。祖先重建表明IR长度在晚中新世(8 Ma)发生剧烈波动，北美支系呈现收缩与扩张并存的演化格局。其中，南美支系在早上新世恢复典型IR长度(22 kb)，而北美O. polyacantha等则极端收缩至657 bp，O. stenopetala却扩张至30,530 bp。

系统发育与分化时间
基于72个CDS构建的 phylogeny 支持 Opuntioideae 的单系性，将仙人掌属分为2个南美支系和6个北美支系。分子钟分析表明该属起源于10.42 Ma，北美支系快速分化发生在7.17-1.98 Ma，与美洲干旱化进程同步。

这项研究系统揭示了仙人掌叶绿体基因组的动态演化规律，提出了IR变异与干旱适应的新假说：扩张IR可能通过增加rrn等基因剂量增强抗逆性，而收缩IR则可能通过基因组精简适应资源限制环境。发现的分子标记解决了近缘种鉴定难题，为种质资源评估提供了工具。特别值得注意的是，IR的极端变异现象为理解植物细胞器基因组可塑性提供了新模式，其演化规律对预测植物应对气候变化的适应潜力具有启示意义。该成果不仅深化了对仙人掌进化的认知，也为这一重要经济作物的分子育种奠定了理论基础。