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楼梯草属（Elatostema）分类界定困难，为解决此问题，研究人员对 42 种楼梯草属及其近缘属植物进行叶绿体基因组（plastome）分析。结果揭示了其结构特征，明确了属间和属内分类关系。该研究为后续分类修订和进化研究提供重要依据。
在神秘的植物世界里，分类研究就像一场解谜游戏。楼梯草属（Elatostema）作为荨麻科（Urticaceae）的大家族，拥有约 570 种成员，广泛分布在热带和亚热带地区。然而，长期以来，楼梯草属与近缘属（如 Elatostematoides 和 Procris）之间的分类界限模糊不清，属内的分类也颇具争议。过去的研究受限于分子数据不足，难以深入探究物种间的关系以及叶绿体基因组（plastome）的进化，就像在黑暗中摸索，始终找不到那把打开真相之门的钥匙。
为了打破这一困境，来自国立中兴大学生命科学系的研究人员勇挑重担，开启了一项意义非凡的研究。他们精心挑选了 42 种植物，涵盖 38 种楼梯草属、2 种 Elatostematoides 和 2 种 Procris，对其叶绿体基因组展开全面深入的分析。
经过不懈努力，研究取得了一系列令人瞩目的成果。研究人员发现，楼梯草属的叶绿体基因组呈现典型的四分体结构，基因组大小在 149,152bp 至 164,019bp 之间。通过比较分析发现，楼梯草属及其近缘属在叶绿体基因组的大小、结构、基因内容和反向重复边界配置等方面高度保守。进一步研究表明，小单拷贝（SSC）区域的长度与楼梯草属内以及属间的系统发育分组存在紧密联系，ndhF - rpl32、rpl32 - trnL 和 rps15 - SSC/IRa 区域的长度变化是这种联系的关键所在。此外，研究还鉴定出 7 个高度可变区域，这些区域有望成为用于物种鉴定和系统发育分析的 DNA 条形码。在系统发育分析方面，研究有力地支持了将广义楼梯草属划分为 Elatostema、Procris 和 Elatostematoides 三个不同属的分类观点，同时再次确认了 Elatostema 属内分为四个主要分支的分类结果。
这项研究成果意义重大，它为楼梯草属植物的进化历史和物种形成机制提供了全新的视角，构建的高分辨率系统发育框架，就像为后续研究绘制了一张精准的地图，为楼梯草属植物的分类修订和进化研究奠定了坚实的基础，让我们在探索植物世界奥秘的道路上迈出了重要一步。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是样本采集，收集了多种植物样本，并从 GenBank 下载部分已有的叶绿体基因组序列。然后进行 DNA 提取、文库构建和测序，获得大量数据。接着利用生物信息学工具进行叶绿体基因组的组装和注释，对基因组进行深入分析。最后通过系统发育分析方法，包括最大似然法（ML）和贝叶斯推断法（BI），构建系统发育树。
1. 叶绿体基因组结构和 IR 边界的比较
研究中所有新生成的楼梯草属叶绿体基因组都呈现出典型的四分体结构。该属内基因组大小有所差异，从 E. monandrum 的 149,152bp 到 E. oblongifoium 的 164,019bp 不等。对比发现，Elatostema、Elatostematoides 和 Procris 在叶绿体基因组结构上没有显著差异，但在 SSC 和 LSC 区域长度存在一定变化。通过分析还发现，SSC 区域长度与楼梯草属内四个分支的系统发育相关性很强，其中 ndhF - rpl32、rpl32 - trnL 和 rps15 - SSC/IRa 区域的序列长度变化与系统发育关系一致。在基因方面，这三个属的基因顺序、内容和数量总体相同，但部分物种的一些基因如 matK、ndhF 等存在序列长度的显著变化。此外，研究还确定了 LSC/IRb、IRa/LSC、IRb/SSC 和 SSC/IRa 边界的特征，其中 IRb/SSC 和 SSC/IRa 边界存在两种类型，且不同属和分支在边界类型上有一定分布特点。
2. 简单序列重复（SSR）和长重复分析
研究对 Elatostema 及其近缘属的叶绿体基因组进行 SSR 和长重复分析后发现，不同属和物种的 SSR 数量和类型存在差异，其中单核苷酸重复最为常见，并且还存在一些分支特异性的 SSR，这些 SSR 在分类和进化研究中具有潜在价值。在长重复方面，Elatostema 物种的长重复数量差异较大，部分物种数量较多。Elatostematoides 和 Procris 的长重复数量相对较少，且重复类型中前向重复最为丰富。
3. 序列差异分析
通过对 43 个楼梯草属叶绿体基因组的滑动窗口分析，研究人员确定了 7 个可变区域，其中 ycf1 基因的可变位点和简约信息位点比例最高，这些区域可作为潜在的 DNA 条形码，为物种鉴定和系统发育研究提供有力工具。
4. 系统发育分析
基于分区数据集和仅编码序列（CDS）数据集，运用 ML 和 BI 方法进行系统发育分析，结果显示荨麻科为单系群，且分为四个主要分支。Elatostema、Elatostematoides 和 Procris 形成一个得到强烈支持的单系群，其中 Procris 是其余类群的姊妹群。Elatostema 进一步分为四个主要分支，这些结果与之前的部分研究一致，但在 Elatostema 的基部谱系认定上存在差异，这可能与之前研究对核信号的依赖有关，后续需要更全面的采样策略来深入探究。
研究结论表明，楼梯草属、Elatostematoides 和 Procris 的叶绿体基因组在结构、大小和基因内容上高度保守，与其他荨麻科植物相似。SSC 区域长度与系统发育关系紧密，为分类研究提供了重要线索。7 个高度可变区域可作为潜在 DNA 条形码，有助于物种鉴定和系统发育分析。系统发育分析支持将广义楼梯草属划分为三个属，并确认了 Elatostema 属内的四个主要分支。然而，研究也发现一些问题，如部分基因序列长度变化的功能未知、ycf15 基因缺失的功能和进化意义有待研究等。这些发现为楼梯草属植物的系统分类和进化研究提供了关键信息，未来还需进一步深入研究，以全面揭示楼梯草属植物的奥秘，推动植物分类学和进化生物学的发展。
