鸢尾属植物Iris confusa（鸢尾科）的完整叶绿体基因组及其系统发育分析

《Mitochondrial DNA Part B》：Complete chloroplast genome and phylogenetic analysis of Iris confusa (Iridaceae)

I. confusa的叶绿体基因组测序及系统发育分析表明其基因组长度为152,470 bp，包含133个基因（87个蛋白质编码基因、8个rRNA、38个tRNA），并揭示其与形态相似的I. wattii亲缘关系密切。

　　在植物学研究中，了解特定物种的基因组结构对于分类学、系统发育分析以及资源保护具有重要意义。本文聚焦于一种具有观赏和药用价值的鸢尾科植物——*Iris confusa* Sealy（又称“模糊鸢尾”），通过高通量测序技术获取了其完整的叶绿体基因组序列。这一成果不仅为该物种的分类提供了新的依据，也为鸢尾属植物的系统发育研究奠定了基础。

### 一、研究背景与意义

鸢尾属（*Iris*）是鸢尾科中最为庞大的属之一，全球范围内约有300个物种。由于其物种多样性极高，形态特征差异显著，自然杂交现象频繁，因此分类工作一直存在较大困难。尽管传统的形态学分类方法在某些情况下仍能提供有用信息，但这些方法容易受到环境因素的影响，导致分类结果不够准确。相比之下，分子数据，尤其是叶绿体基因组序列，因其具有较高的稳定性，成为研究植物系统发育关系的重要工具。

* I. confusa* 是一种多年生草本植物，主要分布在中国广西、四川和云南等地。其花茎高度在20至30厘米之间，花朵呈淡蓝色或白色，直径约为5至5.5厘米，花期在4月，果期则在5月至7月。该物种不仅在园林景观中具有较高的观赏价值，其块茎还被用于治疗急性扁桃体炎和支气管炎等疾病。然而，由于其形态特征与另一种鸢尾属植物 *I. wattii* 非常相似，容易引起混淆，因此需要更精确的分类依据。

### 二、研究方法与技术手段

本研究采用Illumina双端测序技术对 *I. confusa* 的叶绿体基因组进行了测序和组装。研究团队从西安医学院花园中采集了一株健康的 *I. confusa* 植物叶片作为样本，并由Ya-nan Li进行标本鉴定后，将其存入西安医学院附属医院的标本馆，编号为FAH0320240068。为了获得高质量的基因组数据，研究者使用了改进的CTAB法提取总基因组DNA，并通过高通量测序平台获得原始读段。

在数据处理阶段，研究团队利用CLC Genomics Workbench v7.5对原始读段进行了质量筛选，以去除低质量或污染的序列。随后，使用GetOrganelle v.1.7.7.0软件进行从头组装（de novo assembly），并采用embplant_pt选项优化叶绿体基因组的拼接过程。为了提高组装的准确性，研究者将测序数据与 *Iris dichotoma*（NC_056172）的叶绿体基因组序列进行比对，使用PGA和CPGAVAS2等软件对基因组进行了注释。

为了进一步验证基因组结构，研究团队利用CPGView软件绘制了 *I. confusa* 的叶绿体基因组图谱，并分析了基因的转录方向、基因重叠情况以及基因间的间隔区域。此外，还通过Burrow-Wheeler Aligner（BWA）软件对测序数据进行了比对，以评估基因组的覆盖深度和完整性。最终，通过构建最大似然（Maximum Likelihood, ML）系统发育树，研究团队确定了 *I. confusa* 在鸢尾科中的系统发育位置，并与其他24个鸢尾属物种进行了比较分析。

### 三、研究结果与发现

通过上述方法，研究团队成功组装并注释了 *I. confusa* 的完整叶绿体基因组，其总长度为152,470个碱基对（bp）。该基因组具有典型的四部分结构，包括一个大的单拷贝区（Large Single Copy, LSC）和一个小的单拷贝区（Small Single Copy, SSC），以及两个短的反向重复区（Inverted Repeat, IRa和IRb）。LSC区域长度为83,251 bp，SSC区域为18,503 bp，IRa和IRb区域各为25,358 bp。这种结构在大多数被子植物的叶绿体基因组中较为常见，但也可能因物种不同而有所变化。

在基因组成方面， *I. confusa* 的叶绿体基因组共编码了133个基因，其中包括87个蛋白质编码基因（protein-coding genes, PCGs）、8个核糖体RNA基因（ribosomal RNA genes, rRNAs）和38个转移RNA基因（transfer RNA genes, tRNAs）。这些基因的分布和排列与大多数鸢尾科植物相似，但也存在一些独特的特征。例如，有16个基因包含一个内含子（intron），其中3个基因包含两个内含子。这表明 *I. confusa* 的叶绿体基因组在进化过程中经历了一定的内含子插入或丢失事件。

此外，研究团队还检测到了13个顺式剪接基因（cis-splicing genes）和一个反式剪接基因（trans-splicing gene） *rps12*。顺式剪接是指基因在转录过程中，其前导和尾部序列在同一个分子上被剪接在一起，而反式剪接则涉及不同分子之间的连接。这些剪接机制在叶绿体基因表达中起着关键作用，有助于理解 *I. confusa* 的基因调控方式。

在基因组的碱基组成方面， *I. confusa* 的叶绿体基因组整体GC含量为37.8%。其中，LSC区域的GC含量为36.1%，SSC区域为31.4%，而IR区域的GC含量则较高，达到43.0%。这种GC含量的差异可能反映了不同基因区域在进化过程中所经历的不同选择压力或复制机制。

通过构建系统发育树，研究团队发现 *I. confusa* 与 *I. wattii* 的亲缘关系非常密切，两者的系统发育位置在树上几乎重合，支持值达到100%。这一结果不仅验证了传统分类学中 *I. confusa* 与 *I. wattii* 的相似性，也为进一步研究两者之间的杂交关系提供了线索。值得注意的是， *I. confusa* 与 *I. wattii* 的形态相似性可能源于它们的共同祖先，也可能是在自然选择或基因流动的影响下形成的趋同进化现象。

### 四、研究讨论与结论

从系统发育分析的结果来看， *I. confusa* 与 *I. wattii* 的紧密关系揭示了鸢尾属植物在进化过程中可能存在频繁的杂交事件。这种杂交现象不仅可能导致物种间的基因流动，还可能影响其分类界限。因此，进一步研究 *I. confusa* 与 *I. wattii* 之间的杂交模式和基因流动情况，有助于厘清鸢尾属植物的系统发育关系，并为分类学提供新的视角。

此外， *I. confusa* 的分布区域主要集中在西南地区，如广西、四川和云南。然而，随着森林砍伐和农业扩张的加剧，其栖息地正面临严重的碎片化问题。这种栖息地的破坏不仅威胁到 *I. confusa* 的生存，还可能导致其遗传多样性下降。因此，研究团队建议采取就地保护和迁地保护相结合的策略，如建立种子库、在植物园中进行人工栽培等，以确保该物种的长期生存。

另一方面，鸢尾属植物中存在多种次生代谢产物，如异黄酮、三萜类化合物和酚酸等。这些化合物具有抗炎、抗氧化和抗菌等多种生物活性，因此在药用价值方面具有重要潜力。 *I. confusa* 的块茎已被用于治疗急性扁桃体炎和支气管炎等疾病，这表明其可能具有广泛的药用前景。然而，目前对其药用成分的具体研究仍较为有限，未来需要进一步开展化学成分分析和药理学研究，以验证其潜在的医疗价值。

综上所述，本研究不仅揭示了 *I. confusa* 的叶绿体基因组结构，还为其系统发育位置提供了新的证据。这些发现对于鸢尾属植物的分类学研究具有重要意义，同时也为该物种的保护和利用提供了科学依据。未来的研究应结合核基因组数据、生态学和种群遗传学方法，以更全面地理解 *I. confusa* 的进化历史和遗传特征。此外，进一步探索其药用潜力，有助于推动其在中医药领域的应用。

### 五、研究的科学价值与应用前景

叶绿体基因组作为植物遗传研究的重要对象，具有较高的稳定性，因此在系统发育分析中被广泛应用。本研究通过获取 *I. confusa* 的完整叶绿体基因组，不仅填补了该物种在鸢尾科基因组研究中的空白，还为其他鸢尾属植物的叶绿体基因组研究提供了参考。此外，该基因组的公开（GenBank accession number: PP916053.1）将有助于科研人员进行更广泛的数据共享和交叉分析。

在实际应用方面， *I. confusa* 的叶绿体基因组数据可以用于植物分类学、系统发育分析以及基因组进化研究。例如，通过比较不同鸢尾属物种的叶绿体基因组，可以揭示它们之间的亲缘关系，进而优化分类系统。此外，该基因组数据还可以用于研究叶绿体基因组的结构变异、基因重排以及基因流动等现象，为理解植物的进化机制提供新的视角。

在保护方面， *I. confusa* 的分布范围较小，且其栖息地受到人为活动的威胁。因此，建立系统的保护机制显得尤为重要。通过叶绿体基因组数据，可以更准确地评估该物种的遗传多样性，从而制定更有效的保护策略。例如，利用分子标记技术对 *I. confusa* 的种群进行遗传分析，可以识别其遗传结构，进而评估其适应能力和生存潜力。

在药用研究方面， *I. confusa* 的块茎已被用于治疗多种疾病，这表明其具有较高的药用价值。然而，目前对其活性成分的提取和药理作用的研究仍较为有限。因此，未来的研究应结合化学分析和生物活性测试，以明确其药用成分的种类和作用机制。这不仅可以推动其在中医药领域的应用，还可以为现代药物开发提供新的思路。

### 六、研究的局限性与未来展望

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。首先，由于 *I. confusa* 的分布范围较小，样本采集的难度较大，这可能导致研究结果的代表性不足。其次，本研究仅基于叶绿体基因组数据，而叶绿体基因组仅能反映母系遗传信息，无法全面揭示该物种的遗传多样性。因此，未来的研究应结合核基因组数据，以获得更全面的遗传信息。

此外，本研究的系统发育分析仅基于叶绿体基因组序列，未来可以引入更多的分子标记，如微卫星标记（microsatellite markers）和单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms, SNPs），以提高系统发育树的分辨率。同时，结合生态学和种群遗传学的研究方法，可以更深入地了解 *I. confusa* 的适应性特征和种群动态，从而为其保护和可持续利用提供科学支持。

在药用研究方面，未来需要进一步开展化学成分分析和药理学实验，以明确 *I. confusa* 的药用潜力。例如，可以利用高效液相色谱（HPLC）和质谱（MS）技术对其中的活性成分进行分离和鉴定，并通过体外和体内实验验证其药理作用。此外，还可以研究其药用成分的代谢途径和作用机制，以推动其在现代医学中的应用。

### 七、结语

本研究通过高通量测序技术成功获取了 *I. confusa* 的完整叶绿体基因组序列，并对其基因组成、结构特征和系统发育关系进行了深入分析。这一成果不仅为鸢尾属植物的分类学研究提供了新的依据，还为该物种的保护和利用提供了科学支持。同时，该研究也揭示了叶绿体基因组在植物系统发育分析中的重要性，以及其在基因组进化研究中的应用潜力。

随着基因组学技术的不断发展，未来的研究可以进一步拓展到其他鸢尾属植物，以构建更完整的系统发育图谱。此外，结合多学科的研究方法，如生态学、种群遗传学和药理学，可以更全面地理解 *I. confusa* 的生物学特性及其在自然环境中的适应机制。这不仅有助于保护这一珍贵的植物资源，还可能为中医药和现代药物开发提供新的思路和方法。