Protea cynaroides ‘Red Rex’（山龙眼科）的完整叶绿体基因组序列及其系统发育分析

《Mitochondrial DNA Part B》：Complete chloroplast genome sequence of Protea cynaroides ‘Red Rex’ (Proteaceae) and its phylogenetic analysis

Protea cynaroides ‘Red Rex’ 氯oplast 基因组测序完成，揭示其四分区结构（LSC 86,427 bp，SSC 18,553 bp，IR 各 26,457 bp），GC 含量 38.06%，注释 130 个基因（84 编码蛋白、38 tRNA、8 rRNA），SSR 分析发现 59 个重复序列。系统发育分析确认其与 Protea caffra 亚种亲缘关系最近，支持 Proteaceae 科系统发育。

　　《Protea cynaroides》‘Red Rex’的完整叶绿体基因组解析

《Protea cynaroides》‘Red Rex’是一种在普罗塔科斯科家族中具有重要地位的多年生常绿灌木植物，因其观赏价值和药用潜力而受到广泛关注。然而，其基因组数据尚未得到充分研究，特别是叶绿体基因组的结构和功能特征。本研究首次对《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组进行了完整测序和分析，为深入了解这一物种的遗传学基础、系统发育关系以及在园艺和医药领域的应用提供了重要依据。

《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组长度为157,894个碱基对，呈现出典型的四部分结构。该结构包括一对反向重复区（IR），每个反向重复区长度为26,457个碱基对，分别位于一个大单拷贝区（LSC）和一个小型单拷贝区（SSC）之间。LSC区长度为86,427个碱基对，SSC区长度为18,553个碱基对。整个基因组的GC含量为38.10%，其中LSC区GC含量为36.30%，SSC区GC含量为31.50%，而IR区GC含量则高达43.10%。这种GC含量的分布特征与同属其他物种的叶绿体基因组表现出一定的相似性，表明该物种在基因组结构上具有高度的保守性。

通过基因组注释，我们共识别出130个基因，其中包括84个蛋白质编码基因（PCGs）、38个转运RNA（tRNA）基因和8个核糖体RNA（rRNA）基因。其中，20个基因含有单个内含子，包括10个PCGs和8个tRNA基因。此外，两个PCGs（ycf3和clpP）含有两个内含子。这种内含子的分布模式与同属其他物种的叶绿体基因组具有高度一致性，进一步支持了普罗塔科斯科家族在基因组结构上的保守性。

研究还发现，该叶绿体基因组中存在59个简单重复序列（SSRs），其中55个为单核苷酸重复，4个为双核苷酸重复。这些SSRs主要由A/T碱基组成，占比达到86.05%。SSRs的分布区域显示，大多数SSRs位于LSC区，而SSC区和IR区分别只有5个和9个。这种重复序列的分布模式对于基因组进化研究和分子标记的开发具有重要意义。

在系统发育分析方面，我们构建了基于12个叶绿体基因组的系统发育树，其中包括5个来自普罗塔科斯科家族的基因组序列和8个来自其他科属的基因组作为外群。通过最大似然（ML）和贝叶斯推断（BI）方法进行分析，发现《Protea cynaroides》‘Red Rex’与《Protea caffra》subsp. kilimandscharica形成一个高度支持的单系分支。这一结果与传统的分类学观点相一致，进一步验证了普罗塔科斯科属在系统发育树上与其他属之间的关系。

此外，研究还发现，普罗塔科斯科属与格里维利亚属、赫利西亚属等在系统发育树上形成了一个核心群体，表明这些属在演化过程中具有较高的亲缘关系。普罗塔科斯科科与木兰科形成姐妹群，支持了它们在被子植物中的早期分化地位。而赫利西亚属、格里维利亚属等则作为更远的外群，进一步明确了普罗塔科斯科科在被子植物中的系统位置。

《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组数据不仅有助于深入研究该物种的系统发育关系，还为探索其基因组进化提供了重要线索。同时，这些数据也为分子标记的开发、基因组比较分析以及植物遗传改良提供了基础支持。随着更多普罗塔科斯科属物种的叶绿体基因组数据被获取，我们有望进一步揭示这一重要家族的进化历史和遗传多样性。

该研究还特别关注了《Protea cynaroides》‘Red Rex’在园艺和医药领域的应用潜力。作为一种具有独特花序的植物，它在南非花卉产业中占据重要地位，并在国际市场中受到欢迎。特别是在中国，该植物的花序被广泛用于插花市场，显示出良好的市场适应性。此外，传统上，《Protea cynaroides》被用于治疗癌症、膀胱和肾脏疾病，近年来，一些研究还表明其花序成分具有显著的抗酪氨酸酶活性，为化妆品行业提供了潜在的应用价值。

尽管《Protea cynaroides》‘Red Rex’在药用和观赏方面具有重要价值，但其基因组研究仍相对较少。目前，已有研究对《Protea cynaroides》（var. ‘Little Prince’）的染色体尺度基因组进行了测序，这不仅标志着该属第一个基因组的完成，也代表了该物种在南非植物区系和生态系统中的重要地位。然而，关于《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组数据仍属空白，因此本研究通过高通量测序技术对其叶绿体基因组进行了全面解析。

在基因组组装和注释过程中，我们采用了多种先进的工具和技术，以确保数据的准确性和完整性。通过FastQC软件对原始测序数据进行质量评估，并利用metaSPAdes软件进行基因组组装。对于组装过程中出现的间隙，我们采用了Sanger测序进行填补。组装后的基因组通过SAMtools和Sambamba软件进行质量评估，以确保其符合后续分析的要求。最终，我们使用CPGAVAS2软件对组装后的基因组进行注释，并通过CPGView软件对注释结果进行优化和可视化，进一步识别了基因的功能特征和结构特征。

在基因组结构分析中，我们发现《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组具有高度的保守性，与同属其他物种的叶绿体基因组表现出相似的结构特征。这种保守性可能与其在适应辐射过程中所经历的基因组复制事件有关。此外，该叶绿体基因组中的SSRs分布模式也为基因组进化研究提供了重要线索，特别是在探索早期分化被子植物的基因组复制事件方面。

本研究还发现，《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组中存在11个顺式剪接基因和1个反式剪接基因。顺式剪接基因主要包括与光合作用相关的基因，如rps16、atpF、rpoC1等，而反式剪接基因则为rps12。这种剪接模式与同属其他物种的叶绿体基因组具有高度一致性，进一步支持了普罗塔科斯科属在基因组结构上的保守性。

通过系统发育分析，我们发现《Protea cynaroides》‘Red Rex’与《Protea caffra》subsp. kilimandscharica形成一个高度支持的单系分支，表明它们在演化过程中具有密切的亲缘关系。这一结果与传统的分类学观点相一致，进一步验证了普罗塔科斯科属在系统发育树上的位置。此外，系统发育分析还揭示了普罗塔科斯科科与其他科属之间的关系，如木兰科和木莲科，这些科属作为外群，与普罗塔科斯科科表现出明显的分化特征。

研究还发现，普罗塔科斯科科与木兰科形成姐妹群，支持了它们在被子植物中的早期分化地位。而赫利西亚属和格里维利亚属则作为更远的外群，进一步明确了普罗塔科斯科科在被子植物中的系统位置。这些结果为探索普罗塔科斯科科的系统发育关系和进化历史提供了重要依据。

在数据获取和研究过程中，我们未涉及任何伦理问题，因为所使用的植物材料是合法采集的，并且研究过程符合相关法规。因此，本研究在伦理方面不存在争议。此外，研究过程中所使用的基因组数据已经上传至NCBI GenBank，并获得了相应的访问编号，便于后续研究和数据共享。

本研究的成果不仅为《Protea cynaroides》‘Red Rex’的系统发育和基因组进化提供了重要数据，还为该物种在园艺和医药领域的应用提供了理论支持。随着更多普罗塔科斯科属物种的基因组数据被获取，我们有望进一步揭示这一重要家族的进化历史和遗传多样性。同时，这些数据也为分子标记的开发、基因组比较分析以及植物遗传改良提供了基础支持。

总之，本研究通过对《Protea cynaroides》‘Red Rex’的叶绿体基因组进行测序和分析，不仅揭示了该物种的基因组结构和功能特征，还为探索其系统发育关系和进化历史提供了重要线索。这些成果对于深入了解普罗塔科斯科属的遗传学基础、系统发育关系以及在园艺和医药领域的应用潜力具有重要意义。未来，随着更多相关数据的获取，我们有望进一步揭示这一重要家族的进化历史和遗传多样性，为植物遗传研究和应用提供更全面的支持。