比较叶绿体基因组揭示槐属物种进化关系与分子标记开发

本刊推荐：为解决槐属(Sophora)分类学与系统发育关系不明的问题，研究人员开展了针对6个中国特有槐属物种叶绿体基因组(cp. genomes)的比较基因组学研究。研究首次报道了槐属中~24-kb倒位重排现象，鉴定出trnT-UGU-trnL-UAA等3个高变分子标记，并基于叶绿体基因组数据强烈支持伪苦参组(sect. Pseudosophora)的单系性，同时证明日本槐(S. japonica)和黄花槐(S. xanthantha)不应归属于槐属。该研究为槐属系统学研究提供了宝贵的遗传资源与分子工具。

　　

在植物王国中，槐属(Sophora)植物犹如一座蕴藏丰富的医药宝库，作为豆科(Fabaceae)蝶形花亚科(Papilionoideae)的重要成员，不仅具有抗肿瘤、抗炎、抗心律失常等多种药理活性，还在生态修复和生物固氮方面发挥着关键作用。然而，这个兼具药用与生态价值的属却长期困扰着植物分类学家——其形态特征易受环境影响，物种间界限模糊，传统分类体系存在诸多争议。特别是在中国，由于缺乏足够的遗传数据和有效的分子标记，槐属的分类学与系统发育关系始终蒙着一层迷雾。这种分类上的不确定性不仅阻碍了科学研究，更对药材准确鉴定和产业安全发展构成了潜在威胁。

为了拨开这层迷雾，来自长治大学、兰州大学和山西大学的研究团队在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。他们采用Illumina HiSeq平台对中国特有的6种槐属植物进行了叶绿体基因组(cp. genomes)测序，包括槐树(Sophora japonica)、苦参(Sophora flavescens)等重要物种，并结合已发表的3个基因组数据，开展了深入的比较基因组学和系统发育研究，揭示了槐属叶绿体基因组的独特进化特征和高变分子标记。

研究人员主要运用了新一代测序技术(Illumina HiSeq平台)获取全叶绿体基因组序列，采用生物信息学工具(Plann、REPuter、MIcroSAtellite等)进行基因组注释和重复序列分析，通过比较基因组学方法(mVISTA、Mauve、IRscope)分析基因组结构变异，利用滑动窗口分析(DnaSP)筛选高变区域，并采用最大似然法(ML)和贝叶斯推断(BI)构建系统发育树。样本来源于野外采集和昆明植物研究所提供的种子萌发幼苗。

研究结果

叶绿体基因组基本特征：九个槐属物种的叶绿体基因组均呈现典型的四分体结构，长度范围151,270-172,376 bp，GC含量35.60%-36.60%。所有基因组包含126-135个基因，其中79-90个蛋白编码基因，36-38个tRNA基因和8个rRNA基因。研究发现17个基因含有内含子，包括11个蛋白编码基因和6个tRNA基因。

重复序列分析：共鉴定出597个复杂重复序列，包括448个分散重复和149个串联重复。简单序列重复(SSR)分析显示，单核苷酸重复(67%)占主导地位，主要分布在LSC和SSC区的非编码区域。

比较基因组分析：研究发现槐属叶绿体基因组存在显著的IR区扩张/收缩现象。特别是S. xanthantha的IR区显著扩张约11kb，导致多个基因(rpl14、rpl16、rps8等)从LSC区转移到IR区并发生重复。研究还发现rpl2基因跨越JLA和JLB边界，ycf1基因在所有九个物种中均发生假基因化(pseudogenization)，trnH基因在S. tonkinensis中丢失。

基因组重排现象：研究发现槐属存在显著的基因组重排，包括一个~24-kb的倒位(inversion)，涉及trnC-GCA到trnF-GAA区域。这一现象首次被发现至少经历了三次序列重排而非简单的倒位。此外，在S. flavescens的SSC区还观察到一个约18-kb的倒位。

高变分子标记鉴定：通过滑动窗口分析，研究人员筛选出五个高变区域(Pi(π)>0.04)，其中trnT-UGU-trnL-UAA、psbE-petL和rps11-rpl36三个分子标记被成功设计引物，可作为槐属物种鉴定和系统发育研究的有效条形码序列。

系统发育分析：基于叶绿体基因组编码序列(CDS)和三个条形码序列构建的系统发育树强烈支持(BS=100, PP=1.0)伪苦参组(sect. Pseudosophora)的单系性，该组包括S. davidii、S. moocroftiana和S. alopecuroides三个物种。重要的是，S. japonica和S. xanthantha与外类群A. braunii聚为一支，表明这两个物种不应归属于槐属。

研究结论与意义

本研究通过对槐属物种叶绿体基因组的比较分析，揭示了该属独特的基因组进化特征：IR区的显著扩张与收缩、ycf1基因的普遍假基因化、trnH基因的丢失以及~24-kb的大规模基因组重排。这些发现不仅丰富了我们对豆科植物叶绿体基因组进化机制的理解，也为解决槐属长期存在的分类学争议提供了坚实的基因组学证据。

研究人员鉴定出的三个高变分子标记(trnT-UGU-trnL-UAA、psbE-petL和rps11-rpl36)为槐属物种的准确鉴定和系统发育研究提供了有效的工具，将极大地促进该属的分类修订、物种保护和资源可持续利用。系统发育分析结果强烈支持将S. japonica和S. xanthantha从槐属中移除，这一结论对槐属的分类系统具有重要修订意义。

该研究产生的叶绿体基因组数据为未来槐属乃至豆科植物的 phylogenomic(系统基因组学)研究提供了宝贵资源，为构建更 robust(稳健)的豆科系统发育框架奠定了基础。这些研究成果对槐属药用植物的准确鉴定、品质控制和产业健康发展具有重要的实践指导意义，同时也展示了叶绿体基因组学在解决植物分类学难题中的强大应用价值。