中国特有植物Schnabelia(Lamiaceae)叶绿体基因组比较与系统发育基因组学研究：揭示质体进化与物种分化机制

本研究针对中国特有药用植物Schnabelia属的分类学争议和分子标记缺乏问题，通过高通量测序获得全部5个物种的完整叶绿体基因组(plastome)，开展比较基因组学和系统发育基因组学(phylogenomics)研究。研究发现5个IGS区域(trnH-GUG-psbA等)为高变热点，所有蛋白编码基因均受负选择压力，证实Schnabelia为单系群并分为2个形态差异明显的分支。研究首次估算该属起源于渐新世(30.24 Ma)，其分化与青藏高原隆升和中新世气候变化相关。成果为这一重要药用植物群的物种鉴定、保护遗传学和可持续利用提供了分子基础。

　　

在中国丰富的植物多样性宝库中，Schnabelia属植物以其独特的药用价值和特有分布引人注目。这个隶属于唇形科(Lamiaceae)的草本植物属，所有5个物种均为中国特有，在传统医学中用于清热解毒、活血祛风等多种用途。然而这个兼具生态价值和药用潜力的植物群，却长期面临分类学争议和分子研究匮乏的双重困境。早期分类将部分物种归入Caryopteris属，直到分子系统学研究才确认其独立属地位。更棘手的是，这些形态相似的物种在加工成药材后难以鉴别，而野生资源因过度采集正面临威胁。

浙江理工大学等机构的研究人员开展了一项突破性研究，首次完成Schnabelia全属5个物种的叶绿体基因组测序，通过比较基因组学和系统发育基因组学分析，揭示了这一中国特有植物群的进化历史和分化机制。研究发现该属在中新世时期的分化与青藏高原隆升密切相关，并鉴定出可用于物种鉴定的DNA条形码候选片段。这项发表于《BMC Plant Biology》的研究，为药用植物资源保护和可持续利用提供了科学依据。

研究团队采用Illumina HiSeq2500平台进行高通量测序，使用GetOrganelle软件完成叶绿体基因组组装。通过REPuter和MISA分别分析重复序列和简单序列重复(SSR)，利用DnaSP v6.0进行核苷酸多态性(Pi)分析。系统发育重建采用最大似然法(ML)和贝叶斯推断(BI)两种方法，分化时间估算以Ocimum和Stachys化石作为校准点。

【质体结构特征】五个物种的叶绿体基因组大小介于155,733-156,944 bp，均包含115个独特基因，GC含量恒定为37.8%。IR区表现出典型的四段式结构，边界分析显示rps19基因距JLB边界52 bp(S. nepetifolia为44 bp)。研究发现SSC区GC含量最低(32.6-32.8%)，而IR区最高(40.8%)，这种模式与大多数被子植物一致。

【重复序列与SSR】共鉴定446个重复序列，以正向重复(234个)和回文重复(209个)为主，30-39 bp的短重复占比59.75%。SSR分析发现171个位点，其中86.55%为A/T型单核苷酸重复，主要分布在基因间隔区(IGS)(56%)。这些SSR标记为后续种群遗传学研究提供了宝贵资源。

【密码子使用偏好】所有物种均表现出强烈的A/U末端密码子偏好，精氨酸密码子AGA的RSCU值最高。GC3s含量介于35.6-36.5%，证实了叶绿体基因组的AT富集特征。选择压力分析显示81个蛋白编码基因的Ka/Ks比值均小于1，表明它们均受到纯化选择作用。

【高变区域鉴定】mVISTA比较发现变异主要集中于LSC和SSC区。滑动窗口分析鉴定出11个高变区域(Pi>0.022)，其中5个IGS区(trnH-GUG-psbA、trnK-UUU-matK、petB-petD、ndhD-psaC和ndhA-ndhH)特别适合作为DNA条形码开发靶点，这些片段可解决药材加工后的物种鉴别难题。

【系统发育关系】包含34个物种的系统发育树强烈支持Ajugoideae亚科分为四个族。Schnabelia与Teucrium构成姐妹群，其单系性得到100%支持。属内分为两支：一支包含传统分类的两个物种(S. oligophylla和S. tetrodonta)，另一支包含从Caryopteris转移来的三个物种，对应两个形态差异明显的组。

【分化时间估算】分子钟分析表明Schnabelia干群起源于渐新世(30.24 Ma，95% HPD:19.03-42.78 Ma)，冠群分化于中新世中期(12.60 Ma)。组间分化(8.93 Ma)与青藏高原东南缘隆升(15-10 Ma)时期吻合，而Sect. Schnabelia近期分化(0.26 Ma)可能与第四纪气候波动有关。

这项研究首次全面揭示了Schnabelia属叶绿体基因组特征和进化历史。发现的5个高变IGS区域为这一重要药用植物群的物种鉴定提供了可靠分子标记，特别是对形态相似的S. terniflora和S. aureoglandulosa鉴别具有重要意义。分化时间分析将物种形成事件与青藏高原隆升和第四纪气候变化联系起来，为理解中国特有植物多样性形成机制提供了典型案例。研究建立的叶绿体基因组数据库，不仅解决了长期存在的分类学争议，更将为后续保护遗传学研究、野生资源评估和可持续利用奠定基础。特别值得注意的是，对濒危物种S. tetrodonta和S. oligophylla的种群遗传学研究，可为其保护策略制定提供科学依据。这项成果展示了基因组学技术在药用植物研究和保护中的强大应用潜力。