传统中药植物Strobilanthes sarcorrhiza线粒体基因组从头组装与比较分析揭示其系统发育地位及药用植物遗传育种新线索

为解决传统中药Strobilanthes sarcorrhiza（马蓝属肉根草）线粒体基因组信息缺失导致的分类混乱问题，研究人员通过HiFi长读长测序技术完成其617,134 bp线性结构线粒体基因组（mitogenome）的从头组装，注释35个PCGs、19个tRNAs和3个rRNAs，发现1,482对分散重复序列和37个质体-线粒体迁移片段（MTPTs）。基于38个线粒体和46个质体基因组的比较分析，首次阐明该物种在Acanthaceae科的系统发育地位，为药用植物分子鉴定与遗传育种提供关键基因组资源。

　　

论文解读

在传统中医药宝库中，马蓝属植物Strobilanthes sarcorrhiza（肉根草）以其清热滋阴的独特功效备受推崇，其肥厚的肉质根是治疗肾虚的热门药材。然而，这个价值不菲的药用植物正面临严峻的身份危机——市场上频繁出现以伪品（如孩儿参、淡竹叶等）冒充的现象。更令人担忧的是，作为Acanthaceae（爵床科）这一包含4000余种植物的大科成员，Strobilanthes属的分类长期存在争议，而线粒体基因组（mitogenome）研究的滞后进一步阻碍了其系统发育关系的解析。要知道，植物线粒体不仅是能量工厂，还掌控着抗逆性、细胞凋亡等关键性状，其基因组中高度保守的编码区与高度变异的非编码区，堪称研究物种进化的"时间胶囊"。但截至当前，NCBI数据库中植物线粒体基因组仅1102个，远落后于质体基因组（15118个），而爵床科中仅Avicennia marina和Echinacanthus longipes两个物种的线粒体基因组被报道。这种数据鸿沟使得药用植物的分子鉴定与遗传改良举步维艰。

为破解这一困局，台州大学生命科学学院Zeng Wei团队联合浙江省中医药研究院等机构，采用第三代PacBio Revio平台和Illumina NovaSeq X plus双测序策略，首次完成S. sarcorrhiza线粒体基因组的精细图谱绘制。研究通过PMAT软件构建617,134 bp的线性基因组结构，利用PMGA和GeSeq双系统注释功能元件，结合MISA、REPuter等工具解析重复序列特征，并运用Deepred-Mt预测RNA编辑位点。团队还创新性地整合线粒体与质体（PQ631129）基因组数据，通过MAFFT多序列比对和IQ-TREE构建系统发育树，最终在《BMC Plant Biology》揭开了这一药用植物的遗传密码。

结果解析

线粒体基因组基本特征
研究揭示S. sarcorrhiza线粒体呈现罕见的线性结构，GC含量42.56%，基因稀疏度高达93.7%。共注释57个功能基因，包括24个核心基因（如nad1-9等呼吸链复合体基因）和11个可变基因（如rps3等核糖体蛋白基因）。值得注意的是，nad4L基因以非常规的ACG起始密码子开头，这可能是RNA编辑的结果。

重复序列的进化密码
基因组中散布着122个SSRs（简单序列重复），其中四核苷酸重复占比最高（41.8%）。更惊人的是1482对分散重复序列（占基因组17.58%），其长度多小于50bp，以正向（F）和回文（P）重复为主。这些"基因组积木"的高频重组可能驱动了线粒体结构的快速演化。

RNA编辑的分子魔术
在35个PCGs中检测到394个C→U编辑位点，其中nad4基因编辑最活跃（35位点）。62.94%的编辑发生在第二密码子，导致疏水氨基酸转换，这种精准"剪辑"可能增强蛋白质稳定性。

密码子的偏爱游戏
分析8个近缘物种的82,646个密码子发现，亮氨酸（Leu）使用频率最高（占10.78%），而甲硫氨酸的AUG密码子偏好性最显著（RSCU值最高）。第三密码子显著的A/T偏好，暗示了进化过程中的选择压力。

基因的"跨界旅行"
发现37个质体-线粒体迁移片段（MTPTs），总长34,978bp，包含13个完整功能基因（如psbA、trnA-UGC等）。这些"基因移民"占线粒体基因组的5.67%，为基因组膨胀提供了新证据。

系统发育的终极定位
基于10个保守线粒体PCGs构建的ML树显示，S. sarcorrhiza与Avicennia marina、Echinacanthus longipes形成爵床科单系群。而20个质体PCGs的分析进一步确认其与Strobilanthes tonkinensis等物种的亲缘关系，澄清了其并非Championella属的分类争议。

结论与展望
这项研究不仅填补了爵床科马蓝属线粒体基因组的空白，更揭示了重复序列和基因迁移如何塑造基因组演化。特别值得注意的是，ccmB基因的Ka/Ks值高达2.59，暗示其可能经历正选择以适应环境。研究者建立的分子标记体系（如SSRs、MTPTs）为中药真伪鉴定提供了"基因身份证"，而线粒体基因组特有的RNA编辑模式则为药用成分合成调控研究开辟新思路。

这项研究的深远意义在于：首先，617kb线性线粒体基因组的破译打破了爵床科"环形基因组"的认知惯性，为植物线粒体结构多样性研究提供新模式；其次，37个MTPTs的发现证明水平基因转移（HGT）在药用植物进化中的重要作用；最后，建立的分子鉴定体系可直接应用于中药材市场监管。未来，团队计划利用这些基因组数据开展药用成分合成通路解析，为这一传统药材的分子育种装上"基因导航"。正如研究者所言："当古老中医药遇上现代基因组学，我们正在解码本草进化的终极秘密。"