全球蒿属（Artemisia）系统发育与分类学重建：基因组学时代解决大型植物属分类难题的范例

《Nature Communications》：Global phylogeny and taxonomy of Artemisia

本研究针对蒿属（Artemisia）这一具有重要药用与生态价值的大型植物属长期缺乏全球性系统发育框架与分类系统的难题，通过整合202个低拷贝核基因与核糖体DNA标记的"千矩阵"（gigamatrix）方法，构建了涵盖394种（78%）蒿属植物的全球系统发育树，揭示了24个组的分类新框架，并评估了20个形态特征的进化轨迹与分类效用，为蒿属资源的可持续利用与进化研究提供了坚实基础。

　　

蒿属（Artemisia）作为菊科中一个包含超过500种植物的大型属，不仅在生态系统中扮演着重要角色，更是人类医药宝库中的璀璨明珠。其中最著名的例子莫过于从中药青蒿（Artemisia annua）中提取的青蒿素（artemisinin），这一抗疟疾药物的发现使中国科学家屠呦呦荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。然而，尽管蒿属植物具有如此重要的价值，科学家们对其系统发育关系和分类系统的认识却长期存在不足。

蒿属植物主要分布于北温带地区，包括我们熟悉的艾草、蒿草和山艾等。这些植物在医药、植物化学和生态修复等领域都具有重要应用价值。例如，油蒿（A. ordosica）和差不嘎蒿（A. halodendron）在亚洲沙漠化防治中发挥着关键作用，而中亚苦蒿（A. absinthium）等种类则被广泛用于传统医药。然而，由于蒿属植物数量庞大、分布范围广泛、形态特征复杂，加上频繁的杂交事件和快速辐射进化，建立其全球性的系统发育框架和分类系统一直被视为极其困难的挑战。

过去几十年来，研究人员主要依靠花序、叶片和生活型等形态特征来对蒿属进行分类，但这些特征容易发生重复进化，常常与分子系统发育结果相冲突。例如，同型盘状头状花序（homogamous-discoid capitulum）这一特征曾被认为具有重要分类价值，甚至以此建立了单独的Seriphidium属，但后来的细胞学和分子系统学研究证明这一特征在蒿属中至少独立进化了三次。

在《Nature Communications》发表的这项研究中，由中国科学院植物研究所高天赋团队领导的研究团队采用了一种称为"千矩阵"（gigamatrix）的创新策略，成功解决了大型属研究中分类单元覆盖度与基因组深度之间的平衡难题。这种方法整合了高通量DNA测序数据（部分物种但序列多）和Sanger测序数据（物种多但序列少），为解决大型属的系统发育问题提供了有力工具。

研究人员首先从314种蒿属及其近缘属植物（包括298种蒿属植物）中获得了基因组浅测序数据，其中96种蒿属植物为首次测序。基于这些数据，他们构建了三个核基因数据集：包含202个低拷贝核基因的NLC数据集、核核糖体DNA（ITS和ETS）的NR数据集，以及将前两者拼接而成的千矩阵（GM）数据集。最终的GM数据集长达227,832个碱基对，涵盖了414个物种（394个内群+20个外群）。同时，他们还组装了314个物种的完整质体基因组，用于评估细胞核与质体基因组之间的不一致性。

研究结果揭示了蒿属植物复杂的进化历史。基于GM数据集构建的最大似然树完全解析了蒿属的系统发育关系，八个主要分支和24个次级分支都获得了很高的支持率（bootstrap support, BS>95%）。与之前仅基于核糖体DNA的研究相比，本研究将蒿属系统发育的物种覆盖度从41%提高到了78%，使得研究人员能够识别出24个高度支持的次级分支，对应24个组，分属于8个亚属。

特别值得注意的是，研究结果支持将八个小属（Crossostephium、Filifolium、Kaschgaria、Mausolea、Neopallasia、Picrothamnus、Sphaeromeria和Turaniphytum）归入蒿属，同时发现分布于青藏高原的Ajaniopsis属也嵌套在蒿属内部。基于形态和分子证据，研究人员将其归类到中亚蒿亚属（A. subg. Absinthium）的银叶组（sect. Argyrophyllae）中。

细胞核与质体基因组的显著不一致性是本研究的重要发现之一。质体系统发育显示蒿属并非单系群，其中 Chrysanthemum-Ajania-Elachanthemum 分支和 Artemisiella 分支都嵌套在蒿属内部，而且八个亚属中有七个是多系的，只有太平洋亚属（A. subg. Pacifica）是单系的。这种不一致性表明蒿属特定谱系中可能存在快速的进化辐射或杂交事件。

通过基因一致性因子（gCF）计算和多项式检验，研究人员发现蒿属内部存在广泛的基因树冲突，79%的组内和种间节点不能拒绝多项式假设（p>0.1），表明这些关系可能未完全解析或是多歧分支而非二歧分化节点。系统发育网络分析进一步揭示了蒿属早期进化中广泛的杂交事件，特别是绒蒿亚属（A. subg. Dracunculus）与其近缘类群篦齿蒿亚属（A. subg. Pectinatae）和中亚蒿亚属（A. subg. Absinthium）之间存在明显的网状进化信号。

质体捕获（chloroplast capture）可能是导致细胞核与质体不一致的另一重要原因。篦齿蒿亚属的物种在质体树中分散在不同的五个亚属中，而在核系统发育中却得到强烈支持（BS=100%）。这种"核基因一致而质体分散"的模式与质体捕获的动态过程一致，而且这些物种与其质体近缘类群显示同域/邻域分布，为可能的质体捕获提供了空间证据。

形态特征进化分析是本研究另一重要组成部分。研究人员全面研究了20个（13个宏观和7个微观）形态特征，重建了它们的祖先状态，并检验了它们的系统发育信号。

十三个宏观形态特征包括生活型、植株高度、复合花序、头状花序和叶片形态等。其中四个特征（头状花序类型、叶型、叶裂片宽度和叶面积）表现出强（λ≥0.9或K≥1.5）或中等（0.9>λ≥0.7或1.5>K≥1）的系统发育信号，因此可用于蒿属内亚属和组的划分。特别是叶型这一本研究首次引入的特征，由于其强大的系统发育信号（λ=0.99, K=1.50），被确定为关键的属下分类特征。

七个微观形态特征涉及边花和盘花的冠筒形状和花柱形态，以及盘花中花药顶端附属物、药室基部和领部的形状。其中四个特征（边花和盘花的冠筒形状和花柱形态）显示出强烈的系统发育信号，有助于划分亚属和组。虽然花药相关特征的系统发育信号较弱，但研究人员观察到花药顶端附属物和药室基部形态存在稳定的种间变异，这些特征可能在物种界定中具有价值。

基于单系性和可识别性原则，研究人员提出了一个完整的蒿属组级分类系统，为每个亚属和组确定了诊断形态特征，并编制了所有分类群的检索表。这一更新包括建立了10个新组，修订了11个现有组的界定范围。在505个已接受的蒿属物种中，有502个被归类到8个亚属和24个组中，其中394个物种基于分子和形态证据进行了归类，105个物种仅基于诊断形态特征进行了归类。只有三个物种（Artemisia avarica、A. dipsacea、A. galinae）由于形态和分子证据不足而未被放置。

当前的分类框架将这个庞大而复杂的属（505种）分解为24个较小的组（平均每组19种；范围1-119种）。大多数组局限于单个国家或地区，使当地分类学家能够在实际可行的时间范围内处理它们。此外，由于每个组都有独特的形态特征，这一框架不仅有助于鉴定，还能鼓励当地分类学家——特别是那些没有分子设备的研究人员——基于形态学修订他们所在地区的蒿属分类。

研究结论强调，大型植物属的全球尺度系统发育和分类研究由于其固有的复杂性而被比喻为"黑洞"。本研究通过整合基因组和形态数据，解决了蒿属这一大型属中长期存在的系统发育和分类复杂性，建立了一个系统发育稳健且全面的分类框架，为几乎所有已承认的物种提出了可检验的分类假设。

这项研究与其他对热带大型属（如 Ipomoea⁴）的大规模研究一起表明，积极采用新技术、探索新特征可以有效应对这些长期存在的挑战，甚至可能加速原本需要数十年甚至数百年才能完成的过程。本研究为未来对这一具有重要生态和经济价值的大型属的研究提供了坚实的基础，如地方性修订、生物勘探、保护和比较进化分析等。

未来研究可优先在此框架内进行地方性修订，通过增加采样密度并将基因组数据与精细尺度的形态、地理和生态数据相结合。这种方法对于澄清蒿属中的物种边界至关重要，特别是在那些 notoriously difficult groups（ notoriously difficult groups）中，如艾蒿复合体（A. vulgaris complex）。本研究为基因组时代大型属的分类研究提供了一个范例。