中华传统药用植物金果榄(Tinospora sagittata)线粒体基因组解析及其系统发育研究

编辑推荐：本研究针对传统中药金果榄(Tinospora sagittata)线粒体基因组(mitogenome)未解析的现状，结合PacBio HiFi和Illumina测序技术，首次完成其513kb线粒体基因组组装，发现基因组重组特征及两个细胞型(二倍体/六倍体)，通过比较基因组学揭示质体与线粒体基因组进化差异，为阐明毛茛目(Ranunculales)系统发育关系提供新证据，对药用植物资源保护与开发利用具有重要意义。

　　在热带雨林生态系统中，防己科(Menispermaceae)植物不仅是重要的结构组成部分，更是传统医药的宝贵资源。其中青牛胆属(Tinospora)植物金果榄(T. sagittata)作为《中国药典》收录的药用植物，其块根富含二萜类和苄基异喹啉生物碱，具有重要药理价值。然而由于过度采挖和生境破坏，该物种野生资源已濒临枯竭。更关键的是，尽管其质体基因组(plastome)和核基因组已被测序，但线粒体基因组(mitogenome)的缺失严重阻碍了该物种的保护遗传学研究。同时，分类学上对金果榄的种下划分存在争议——中国植物志承认三个变种，而Wang等学者则主张将其与齿叶青牛胆(T. dentata)合并为新属Paratinospora。这些争议亟需通过多组学数据予以解决。

云南农业大学等机构的研究人员采用流式细胞术、PacBio HiFi和Illumina测序技术，对金果榄两个变种（产自云南的T. sagittata var. yunnanensis和T. sagittata var. craveniana）进行全基因组解析。通过比较基因组学、选择压力分析和系统发育重建等方法，首次揭示了该物种线粒体基因组的特征及其进化意义，相关成果发表于《BMC Plant Biology》。

关键技术方法包括：1）流式细胞术测定基因组大小和倍性；2）PacBio HiFi长读长（平均15kb）与Illumina短读长混合组装策略；3）Mauve比对分析基因组共线性；4）REPuter和MISA软件鉴定重复序列；5）Ka/Ks计算评估选择压力；6）基于41个线粒体编码基因构建毛茛目系统发育树。

研究结果：

1. 基因组特征分析
   流式细胞术揭示金果榄存在二倍体（1.01Gb）和六倍体（6.06Gb）两种细胞型。组装获得513,210-513,215bp的环状线粒体基因组，GC含量48%，含70个基因（38PCGs、6rRNAs、26tRNAs）。质体基因组呈现典型四分体结构（163-164kb），含130个基因。比较发现线粒体存在11kb片段易位和两个倒位（73kb和82kb）。

2. 重复序列与密码子偏好性
   线粒体中检测到442个SSRs（以AG/CT型为主）和50个分散重复（正向/回文重复占优），显著多于质体。密码子使用分析显示28个偏好密码子（RSCU>1）以U/A结尾，线粒体与质体在ACC/UGA密码子使用上存在显著差异。

3. 选择压力分析
   线粒体基因的Ka/Ks值多大于1（受正选择），而质体基因Ka/Ks<1（受纯化选择）。Pi值分析鉴定出trnS-rpl10等5个线粒体高变区和4个质体高变区，可作为分子标记。

4. 系统发育重建
   基于108个物种线粒体基因组构建的系统发育树支持APG IV系统框架，金果榄与乌头(Aconitum kusnezoffii)、白头翁(Pulsatilla dahurica)构成单系群，确证其在毛茛目中的系统位置。

结论与意义：
本研究首次解析了金果榄线粒体基因组的结构特征，发现其通过重复序列介导的重组形成复杂环状结构。多倍化事件（2n=4X=52→6X）与器官基因组差异进化模式的揭示，为理解防己科植物基因组进化提供了新视角。系统发育结果支持将金果榄归类于Paratinospora属的观点，五个高变区的鉴定为其物种鉴定和遗传多样性研究提供了分子标记。该成果不仅填补了毛茛目线粒体基因组研究的空白，更为药用植物资源的可持续利用奠定了遗传学基础。