利用SSR标记研究中国天南星属（Polygonati Rhizoma）的遗传多样性及核心种质资源

《Frontiers in Plant Science》：Genetic diversity and core collection of Polygonati Rhizoma in China via SSR markers

本研究基于18对高多态性SSR分子标记，系统分析了175份 Polygonati Rhizoma 种质资源的遗传多样性、种群结构和物种鉴定模型，构建了遗传冗余最低的核心种质库C78（保留率84.59%）。机器学习模型（SVM-RFE和随机森林）在物种鉴别中表现优异（准确率>81%），揭示了地理分布与遗传分化显著相关，并首次明确区分了三种药用 Polygonatum 种类及近缘种 P. zanlanscianense 的遗传组学特征。

　　### 高价值药用植物 Polygonatum 的遗传多样性与核心种质库构建研究

Polygonatum（黄精属）作为中国传统医学中的一种重要药材，因其独特的药用价值和广泛的使用历史而备受关注。近年来，随着人们对中药材需求的增加，其野生资源面临严峻的威胁，同时，由于不同 Polygonatum 种间在形态学和地理分布上的高度相似性，物种鉴定和资源保护工作也面临诸多挑战。因此，对 Polygonatum 的遗传多样性进行系统研究，并构建一个具有代表性的核心种质库，对于其资源的可持续利用和遗传改良具有重要意义。

#### 遗传多样性的重要性

遗传多样性是生物适应环境变化和保持种群稳定性的关键因素。对于 Polygonatum 这类具有重要药用价值的植物而言，丰富的遗传多样性不仅有助于其在不同生态环境中的生存，也为育种工作提供了宝贵的基因资源。然而，由于其野生资源的减少以及不同种间容易被混淆，目前对于 Polygonatum 的遗传多样性研究仍显不足。本研究旨在填补这一空白，通过 SSR（简单重复序列）分子标记技术，结合机器学习方法，对 Polygonatum 的遗传多样性、种间分化以及种群结构进行全面分析，同时构建一个高效的核心种质库。

#### SSR 标记的优势与应用

SSR 标记因其具有高多态性、共显性、重复性好、数量丰富以及结果可靠等优点，成为研究植物遗传多样性、种质鉴定、育种改良和遗传图谱构建的重要工具。相比传统的形态学鉴定方法，SSR 标记不受环境、发育阶段和组织差异的影响，能够更准确地反映种质间的遗传关系。因此，本研究选择 18 对高多态性的 SSR 引物，对 175 个 Polygonatum 的种质资源进行分析，以期获得更全面的遗传信息。

#### 机器学习模型在种质鉴定中的应用

为了提高 Polygonatum 种质鉴定的准确性，本研究引入了两种机器学习模型：支持向量机-递归特征消除（SVM-RFE）和随机森林（RF）。这两种模型在分类任务中表现出良好的性能，能够有效区分不同种质。通过训练集和测试集的对比分析，SVM-RFE 模型在训练集上的分类准确率达到 81.94%，而在测试集上达到 81.25%。RF 模型在训练集上的准确率更是高达 100%，在测试集上达到 93.75%。这些结果表明，基于 SSR 标记的机器学习模型能够有效提高 Polygonatum 种质的分类效率，同时为未来的种质鉴定和资源管理提供科学依据。

#### 遗传多样性分析结果

通过对 SSR 数据的分析，本研究发现 Polygonatum 不同种群的遗传多样性存在显著差异。其中，P. cyrtonema（玉竹）的遗传多样性最高，其次是 P. kingianum（鸡肠草）和 P. sibiricum（东北黄精）。这些种群在不同地理区域的分布也显示出一定的遗传分化。例如，来自贵州的 GZDH13 种群与 P. kingianum 种群具有较高的遗传相似性，而来自河北的 HBHJB 种群则显示出与 P. cyrtonema 的密切关系。这些发现不仅揭示了 Polygonatum 种群的遗传结构，也为其种质资源的保护和利用提供了重要参考。

#### 种群结构与地理分布的关系

种群结构分析表明，Polygonatum 的种群分化与地理分布密切相关。通过对 175 个种质的分析，研究发现 P. kingianum 与 P. cyrtonema 之间存在一定的基因流动，而 P. sibiricum 与 P. cyrtonema 之间的基因交流更为频繁。这种种群间的基因流动可能与长期的人工栽培和选择有关，使得某些地理上隔离的种群仍能保持较高的遗传相似性。例如，来自贵州的 GZHJC 和陕西的 SXHJH 种群，以及浙江的 ZJDH29 和湖北的 HBDH27 种群，均显示出潜在的人工杂交迹象。这些结果进一步支持了 Polygonatum 在不同地理区域间的基因交流，为种质资源的保护和利用提供了新的视角。

#### 核心种质库的构建

为了有效保留 Polygonatum 的遗传多样性，同时减少种质库的管理成本，本研究采用了一种基于最小遗传距离的逐步聚类策略（LDSS，连锁不平衡-分层抽样）。通过这一方法，构建了五个不同比例的核心种质库。其中，C78 核心种质库在保留遗传多样性方面表现最佳，其等位基因保留率达到 84.59%，且遗传冗余度最低。这一结果表明，C78 核心种质库能够有效代表原始种质的遗传结构，为后续的种质保存和利用提供了可靠的基础。

#### 核心种质库的代表性与应用价值

核心种质库的构建不仅有助于减少种质资源的管理负担，还能够提高遗传资源的利用效率。通过对 C78 核心种质库与原始种质的比较分析，发现其在等位基因频率、等位基因数（Na）、有效等位基因数（Ne）、观察杂合度（Ho）、期望杂合度（He）和香农信息指数（I）等方面均保持了较高的代表性。此外，核心种质库的地理分布覆盖了原始种质的大部分采样区域，进一步验证了其在代表性和全面性方面的优势。这些发现为 Polygonatum 的种质保护和遗传改良提供了坚实的科学基础。

#### 未来研究方向

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，P. zanlanscianense（药用黄精）的样本数量较少，限制了其遗传多样性分析的深度。未来的研究可以扩大该种的样本规模，以更全面地了解其遗传结构。此外，结合 SSR 数据与药用成分分析，可以进一步优化种质筛选过程，提高种质改良的效率。这些研究将有助于推动 Polygonatum 的可持续利用，同时为中药资源的保护和开发提供新的思路和方法。