金黑杨（Populus × deltoides ‘Jinheiyang’）叶绿体全基因组解析及其在杨树系统进化与抗性育种中的意义

本研究首次报道了中国西北高抗高产杨树品种金黑杨（JHP）的完整叶绿体基因组（cpDNA），其环状结构全长157,084 bp，包含123个基因（83个PCG、32个tRNA、8个rRNA），GC含量38.07%。研究通过Illumina测序与多重比对揭示了JHP在Aigeiros组的系统地位，为杨树杂交育种与适应性进化提供了关键分子标记与数据支撑。

　　

Abstract

西北地区高抗逆、高产量的杨树品种金黑杨（Populus × deltoides L. ‘Jinheiyang’，简称JHP）的叶绿体基因组此前尚未被报道。本研究成功完成其全基因组测序：该基因组为157,084 bp的环状结构，具四部分结构，共包含123个基因（83个蛋白编码基因、32个tRNA基因、8个rRNA基因），GC含量为38.07%。JHP的完整叶绿体基因组可为未来杨树分类与进化研究提供基础数据。

Introduction

杨属（Populus L.，属杨柳科Salicaceae）作为全球分布属，在中纬度地区拥有约100个天然种与栽培种。其以快速生长、显著的生态与经济价值，在木材生产和生态恢复中扮演重要角色。叶绿体基因组（cpDNA）由于结构保守和母系遗传特性，已成为强有力的系统发育标记。尽管叶绿体与线粒体基因组学的进展为植物进化及核质互作研究提供了新见解，但由于杂交和表型复杂性，杨树的系统发育关系仍存在争议。金黑杨（JHP）是由美洲黑杨（Populus deltoides cv. Nankang，母本）与美洲黑杨（父本）杂交选育出的高抗逆性栽培品种，在生长特性、胁迫耐受性和木材品质上均优于亲本，尤其对光肩星天牛（Anoplophora glabripennis）表现出强抗性，是中国西北地区主推的高效高产优良树种。本文首次报道了JHP的完整叶绿体基因组，旨在为其遗传结构与适应机制解析提供基础数据，并利用叶绿体标记解决杨属植物的系统发育问题。

Materials and methods

实验材料由山西杨树高产林实验局提供，样本栽培于河北大学植物-昆虫互作生态实验室。使用商业试剂盒（CW2298S）从新鲜叶片中提取基因组DNA，经质量检测后，在上海应用蛋白质技术公司Illumina NovaSeq 6000平台上进行150 bp双端测序。利用Fastq软件进行数据过滤，获得9.2 Gb清洁数据（GC含量38.07%）。以美洲黑杨（NC_040929）为参考，使用SPAdes软件完成基因组组装，CPstools进行叶绿体基因组比对，MAFFT完成多序列比对。使用Gblocks过滤低质量比对区域，IQ-TREE和FigTree构建JHP与其余19种杨属物种的最大似然系统发育树。在IQ-TREE中通过ModelFinder基于BIC标准选择最佳进化模型（K3Pu+F+I+G4），使用超快自举法和SH-aLRT检验各1000次重复评估节点支持率。利用Genepioneer平台分析四倍体连通性、核苷酸多样性（pi）和相对同义密码子使用度（RSCU）；tRNA二级结构通过tRNAscan-SE在线预测，VARNA实现可视化；基因组比较使用VISTA完成，覆盖深度图通过SAMtools绘制。为验证JHP叶绿体组装的完整性与准确性，使用Geneious软件将其与美洲黑杨（NC_040929）、毛白杨（NC_040866）及美洲黑杨无性系I69（MT780299）进行比对；环状基因组图谱通过OGDRAW绘制。

Results

JHP完整叶绿体基因组成功完成组装与注释。其总长度为157,084 bp，包括一对27,649 bp的反向重复区（IRs），一个大单拷贝区（LSC，85,096 bp）和一个小单拷贝区（SSC，16,690 bp），总GC含量为38.07%。该基因组共注释到123个基因，包括83个蛋白编码基因、32个tRNA基因和8个rRNA基因。系统发育分析显示，JHP属于杨属Aigeiros组，与该组内其他树种如美洲黑杨、加杨（Populus × canadensis）和美洲黑杨无性系I69具有高度相似性，并形成姐妹群关系。

通过比对JHP、美洲黑杨无性系I69、毛白杨和美洲黑杨四个物种的叶绿体基因组，发现它们在基因组结构上存在一定差异，例如基因rps19、trnN、ndhF、ycf1等位置有所不同。Pi值分布呈现区域特异性：IR区高度保守，而LSC和SSC区变异活跃。密码子使用分析显示，JHP叶绿体编码蛋白中甲硫氨酸（Met）、亮氨酸（Leu）和丝氨酸（Ser）显著富集，反映出光合作用相关蛋白的结构保守性和与抗逆性相关的适应性进化特征。在基因水平上，多数基因在四个杨树物种中高度保守，表明这些基因在进化过程中相对稳定，对杨树生存与生长具有关键作用。多同义氨基酸（如亮氨酸和精氨酸）的密码子使用在JHP叶绿体基因组中表现出显著的相对同义密码子使用偏好（RSCU），通过优化光合蛋白的翻译效率增强适应性。JHP的测序深度最大值为9221×，最小值为27×，平均深度为6352.79×。研究还识别出10个涉及顺式剪接的基因（atpF、rpoC1、ycf3、clpP、petB、petD、rpl16、rpl2、ndhB、ndhA）和1个涉及反式剪接的基因（rps12）。

Discussion and conclusions

JHP叶绿体基因组展现出典型的四部分结构（LSC、SSC、IRa/IRb），总长157,084 bp，编码123个基因，与大多数被子植物叶绿体基因组的保守基因组成一致。核苷酸多样性（Pi）分析揭示IR区高度保守，LSC与SSC区变异活跃，该模式与杨树中线粒体非编码区重复序列驱动变异的观察相符，有助于适应性进化。甲硫氨酸、亮氨酸和丝氨酸在叶绿体编码蛋白中的富集，以及多同义氨基酸（如亮氨酸、精氨酸）表现出的显著相对同义密码子使用偏好（RSCU），凸显了光合蛋白翻译效率的适应性优化，这一现象也与被子植物线粒体基因的功能保守性相关。

总体而言，本研究为理解JHP叶绿体基因组的种间多样性提供了线索，明确了其在Aigeiros组中的系统地位，为分析杨树杂交育种中叶绿体的遗传机制提供了新视角，也为进一步探索杂交种的分子进化与物种形成机制提供了基础数据。

Ethical approval

本研究不涉及任何伦理冲突、濒危物种保护问题，采样过程符合地方法律法规。

Disclosure statement

作者声明无潜在利益冲突。

Data availability statement

本研究中金黑杨（Populus × deltoides ‘Jinheiyang’）的叶绿体基因组序列已公开于NCBI数据库（登记号PV262341），BioProject、Bio-Sample与SRA的编号分别为PRJNA1238501、SAMN47474366和SRR32787063。