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为解决假拉拉藤属(Pseudogalium)系统发育及分类问题,研究人员开展了假拉拉藤属叶绿体基因组测序、组装、注释及与近缘属比较分析的研究。结果显示其叶绿体基因组有典型结构等特征,明确了属内及与近缘属关系,为该属系统发育和分类提供新依据。
在植物的奇妙世界里,分类与进化一直是科学家们探索的重要课题。假拉拉藤属(Pseudogalium)作为一个独特的存在,在植物界中有着特殊的地位。它是一个新的单型属,在中国有两个亚种,日本有一个亚种 ,在茜草族中占据着独特的系统发育位置,具有重要的生态意义。然而,以往对假拉拉藤属的研究存在诸多不足。早期主要基于形态特征进行分类,把它归为拉拉藤属(Galium)。后来虽有分子系统学研究提出它应独立成属,但样本有限,且未深入探讨属内关系,其叶绿体基因组也未得到充分研究。为了填补这些知识空白,来自云南师范大学生命科学学院、广西植物研究所和云南师范大学地理学部的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上,为我们深入了解假拉拉藤属的奥秘提供了重要线索。
研究人员主要运用了以下关键技术方法:首先是样本采集,从中国甘肃、宁夏、吉林、云南和四川等地获取了 4 份假拉拉藤指名亚种(P. paradoxum subsp. paradoxum)和 2 份假拉拉藤杜氏亚种(P. paradoxum subsp. duthiei)的植物材料 。然后进行 DNA 提取,采用 Axygen DNA 提取试剂盒或改良的 CTAB 方法。接着通过 Illumina Hiseq2500 仪器对提取的 DNA 进行测序,利用 FASTP 过滤数据,GetOrganelle 进行叶绿体基因组组装,多种软件进行注释。此外,还用在线程序分析重复序列和密码子使用情况,通过多种软件进行比较基因组分析,基于最大似然法(ML)和贝叶斯法(BI)构建系统发育树。
研究结果如下:
- 假拉拉藤叶绿体基因组的一般特征:新测序的假拉拉藤叶绿体基因组长度在 153,093 - 153,333 bp 之间,具有典型的四分体结构,包含一个大单拷贝(LSC)区域(83,976 - 84,134 bp)、一个小单拷贝(SSC)区域(17,102 - 17,181 bp)和一对反向重复(IR)区域(26,007 - 26,009 bp) 。总 GC 含量在 37 - 37.1% 之间,不同区域 GC 含量有差异,IR 区域较高。共编码 130 个基因,包括 85 个蛋白质编码基因、37 个转运 RNA 基因和 8 个核糖体 RNA 基因。与近缘属比较,假拉拉藤的 IR 区域明显较短,且丢失了 ycf15 基因。
- 分散重复序列和简单序列重复:在假拉拉藤叶绿体基因组中鉴定出 60 个分散重复序列,其中回文重复和正向重复较多。同时,还含有 61 - 63 个简单序列重复(SSRs),主要分布在 LSC 区域,不同亚种间 SSRs 数量和类型有差异。与 Galium 和 Rubia 相比,假拉拉藤的 SSRs 数量和类型也存在明显不同。
- 密码子使用分析:通过对 82 个蛋白质编码基因的密码子使用分析发现,假拉拉藤的密码子数量比 Galium 和 Rubia 少,且假拉拉藤指名亚种的密码子数量多于假拉拉藤杜氏亚种 。多数氨基酸存在密码子使用偏好,终止密码子 UAA 使用频率最高。有 30 个密码子的相对同义密码子使用(RSCU)值大于 1,其中 29 个以 A 或 U 结尾。
- 叶绿体基因组结构比较:假拉拉藤 6 个叶绿体基因组的 IR/LSC 和 IR/SSC 边界几乎相同,但与 Galium 和 Rubia 相比,在基因延伸长度等方面存在差异。核苷酸多样性分析表明,SC 区域多样性最高,IR 区域最低,还发现了一些高差异区域可作为潜在的 DNA 条形码。
- 系统发育分析:基于完整叶绿体基因组、82 个蛋白质编码基因和突变热点区域构建的系统发育树显示,假拉拉藤形成一个独立分支,假拉拉藤指名亚种和假拉拉藤杜氏亚种分别形成不同的子分支,明确了假拉拉藤属与近缘属的关系。
研究结论和讨论部分指出,该研究首次报道了假拉拉藤的完整叶绿体基因组,为其系统发育和分类提供了新的视角。假拉拉藤叶绿体基因组的独特特征,如 IR 区域较短、ycf15 基因缺失等,支持将其作为一个独立的属。同时,假拉拉藤指名亚种和假拉拉藤杜氏亚种在叶绿体基因组上的差异,也支持它们作为不同的亚种。此外,研究还发现了一些可用于物种鉴定和系统发育研究的分子标记和高差异区域。这些成果不仅有助于我们更准确地理解假拉拉藤属的进化历程,也为其他植物的系统发育和分类研究提供了重要参考,推动了植物科学领域的发展。