印度尼西亚濒危药用树种苏门答腊红豆杉叶绿体全基因组解析及其系统进化研究

《BMC Research Notes》：The chloroplast genome of Taxus sumatrana, an endangered medicinal tree from Indonesia

本研究针对濒危药用树种苏门答腊红豆杉(Taxus sumatrana)叶绿体(cp)基因组信息缺乏的问题，完成了其全长129,227 bp的cp基因组测序与注释。研究发现该基因组缺失典型反向重复(IR)区，包含119个基因(81个蛋白编码基因/34个tRNA/4个rRNA)，鉴定出115个SSR标记，系统发育分析表明其与南方红豆杉(T. mairei)亲缘最近。该研究为红豆杉属植物进化与保护提供了重要基因组资源。

　　

在印度尼西亚云雾缭绕的山区森林中，生长着一种具有重要药用价值的濒危树种——苏门答腊红豆杉(Taxus sumatrana)。这种植物因其能够产生抗癌药物紫杉醇(taxol)而闻名于世，紫杉醇是治疗乳腺癌、卵巢癌和肺癌等多种癌症的重要化疗药物。然而，正是这种药用价值给苏门答腊红豆杉带来了生存危机，过度采伐加上栖息地丧失，使得这一物种面临严重的生存威胁。更令人担忧的是，苏门答腊红豆杉生长缓慢，种子发芽率低，自然更新能力弱，进一步加剧了其濒危状况。

尽管苏门答腊红豆杉具有重要的生态和药用价值，科学界对其遗传背景的了解却相当有限，特别是叶绿体(cp)基因组这一重要的遗传信息载体尚未被完整解析。叶绿体基因组在植物系统分类、进化研究和保护遗传学中具有重要价值，因其结构相对保守、突变速率较低，成为研究植物亲缘关系和进化历史的理想工具。在这一背景下，由Fitri Indriani和Muhammad Imam Surya等研究人员组成的团队开展了对苏门答腊红豆杉叶绿体基因组的首次全面解析工作，相关研究成果发表在《BMC Research Notes》上。

研究人员采用全基因组测序(WGS)策略，从印度尼西亚凯林西地区海拔1988米的野生个体中采集新鲜叶片样本，通过Illumina NextSeq 2000平台进行高通量测序，利用GetOrganelle软件进行基因组组装，并通过CPGAVAS2和GeSeq进行基因组注释，结合多种生物信息学工具对基因组结构、简单序列重复(SSR)、密码子使用偏好和系统发育关系进行了全面分析。

基因组结构与特征

研究成功组装出苏门答腊红豆杉完整的叶绿体基因组，其长度为129,227 bp，GC含量为35%。与大多数红豆杉属植物一致，该基因组缺乏典型的反向重复(IR)区域，这一特征可能增加了基因组重组的可能性。研究人员共注释到119个基因，包括81个蛋白质编码基因、34个转运RNA(tRNA)基因和4个核糖体RNA(rRNA)基因。基因结构分析发现19个基因含有内含子，其中13个基因含有单个内含子，rps12和ycf3基因的结构尤为特殊，分别通过反式剪接(trans-splicing)和顺式剪接(cis-splicing)机制进行转录后加工。

简单序列重复(SSR)分析

在苏门答腊红豆杉叶绿体基因组中共鉴定出115个简单序列重复(SSR)位点，其中单核苷酸重复最为丰富，占总数的77.4%。进一步分析显示这些重复具有明显的AT碱基偏好性，AT含量高达96.63%，这一特征与植物叶绿体基因组的普遍特点一致。这些SSR标记为未来红豆杉属植物的种群遗传学研究和物种鉴定提供了有价值的分子工具。

密码子使用偏好

密码子使用分析显示，苏门答腊红豆杉叶绿体基因组包含43,075个密码子，使用频率最高的密码子是编码苯丙氨酸(Phe)的UUU(出现1,947次)，而使用最少的是编码丙氨酸(Ala)的GCG(仅135次)。相对同义密码子使用度(RSCU)分析表明，大多数偏好以A或U结尾的密码子其RSCU值≥1，这种密码子使用偏好可能反映了叶绿体基因组在突变压力、自然选择和翻译效率等多重因素作用下的适应性进化。

系统发育关系

基于全叶绿体基因组序列的系统发育分析涵盖了24个物种，以北美红杉(Sequoia sempervirens)作为外类群。分析结果显示，苏门答腊红豆杉与南方红豆杉(T. mairei)亲缘关系最近，形成一个高支持率的进化支。这一结果与形态学研究和前期分子证据一致，支持将苏门答腊红豆杉视为独立物种的观点。研究还证实了红豆杉属的单系性，并明确了其与三尖杉属(Cephalotaxus)、白豆杉属(Pseudotaxus)和柏木属(Cupressus)的系统发育关系。

研究结论与意义

本研究首次报道了苏门答腊红豆杉的完整叶绿体基因组序列，为这一濒危药用树种的保护遗传学和系统进化研究提供了重要基础数据。基因组结构的详细解析揭示了红豆杉属叶绿体基因组的特殊性，特别是IR区域的缺失可能对基因组稳定性产生影响。SSR标记的鉴定为后续种群遗传多样性研究和保护策略制定提供了分子工具。系统发育分析明确了苏门答腊红豆杉在红豆杉属中的分类地位，解决了其与南方红豆杉和喜马拉雅红豆杉(T. wallichiana)的分类学争议。

值得注意的是，本研究仅基于单个样本的分析可能限制了对其种内遗传多样性的全面了解。未来需要对苏门答腊岛不同地区的多个种群进行更广泛的取样研究，结合形态学数据和已有的红豆杉属基因组资源，才能更全面地揭示苏门答腊红豆杉的遗传多样性和进化历史。尽管如此，本研究无疑为这一重要药用树种的科学保护和可持续利用奠定了坚实的基因组学基础，对维护生物多样性和保障抗癌药物资源具有重要意义。