薄荷属植物叶绿体基因组比较分析揭示苹果薄荷(Mentha suaveolens)的系统发育地位与进化特征

本研究通过高通量测序技术解析了苹果薄荷(Mentha suaveolens)的完整叶绿体基因组（152,053 bp，GC含量37.9%），并与6个薄荷属物种（含3个天然杂交种）进行对比分析。研究揭示了IR区边界变异、SSR分布规律及dS/dN选择压力特征，首次明确了杂交种M.xpiperita、M.xverticillata和M.xvillosa的母系起源，为薄荷属分类争议和药用资源开发提供了分子依据。

　　

薄荷属植物以其丰富的芳香化合物和药用价值闻名全球，但复杂的杂交历史和形态相似性使得该属分类长期存在争议。特别是苹果薄荷（Mentha suaveolens）作为传统药用植物，其基因组信息缺失严重制约了种质鉴定和亲缘关系研究。更棘手的是，薄荷属中诸如M.xpiperita等天然杂交种的母本来源始终未能通过核基因组标记明确，这直接影响了杂交育种和次生代谢产物调控研究。

为解决这些问题，西班牙穆尔西亚大学联合沙特阿拉伯多所高校的研究团队完成了苹果薄荷叶绿体基因组的首次测序，并与6个近缘种（含3个杂交种）进行多维度比较。研究发现苹果薄荷叶绿体基因组具有典型的四段式结构（LSC/SSC/IR），编码88个PCGs、37个tRNAs和8个rRNAs。通过SSR分析发现LSC区富含五核苷酸重复（如AAAAT），而IR区则高度保守。系统发育树首次证实M.xpiperita等杂交种与M.suaveolens的母系遗传关系，相关成果发表于《Genetic Resources and Crop Evolution》。

研究采用Illumina HiSeq 4000平台进行测序，使用Geneious Prime完成组装，通过GeSeq进行基因注释。利用REPuter和MISA分别分析长重复序列与SSR分布，采用MAFFT比对基因组变异，基于FastTree构建最大似然系统发育树。样本来自埃及吉萨植物园栽培个体（凭证号MS101）。

叶绿体基因组特征
苹果薄荷叶绿体基因组大小（152,053 bp）与近缘种差异不足1%，但GC含量（37.9%）略高于多数比较物种（37.8%）。所有物种均含134个基因，包括保守的rps12、rps7等核糖体蛋白基因，证实薄荷属叶绿体基因组结构的高度稳定性。

SSR与重复序列
LSC区集中了70.4%的SSR位点，其中五核苷酸重复（30%）和四核苷酸重复（22%）占比最高。比较发现M.suaveolens特有的AAAT motif在LSC区出现12次，可能影响启动子活性。杂交种间SSR总数差异不足0.6%，印证其近缘关系。

密码子偏好性
除甲硫氨酸（AUG）和色氨酸（UGG）外，多数氨基酸呈现A/U结尾密码子偏好（RSCU>1）。比较分析显示M.suaveolens的GCA密码子使用频率（RSCU=1.12）显著高于M.xverticillata（1.11），反映细微的翻译选择差异。

IR区动态进化
M.canadensis的rps19基因距JLB边界87 bp，导致ycfl基因5 bp序列被纳入IRb区，这种边界位移在属内罕见。M.longifolia的ycfl基因延伸61 bp进入SSC区，但未改变JSB边界位置，显示IR区收缩的物种特异性。

SNP与选择压力
CDS区共检测190个SNP，其中M.canadensis含140个（76个非同义突变），远高于其他物种。光合系统I基因（psaA/psaB）呈现强正向选择（dS/dN=7），而rpoC2等RNA聚合酶基因则受净化选择（dS/dN=0.57）。

系统发育重建
全基因组ML树将M.spicata、M.xpiperita和M.xvillosa聚为一支，M.suaveolens与M.xverticillata构成姐妹群（bootstrap>90%），明确三者母本来源。M.canadensis单独成支，暗示其早期分化事件。IR区序列因保守性过高导致M.longifolia聚类模糊，需结合核基因组验证。

该研究首次构建了薄荷属叶绿体基因组进化框架，不仅为杂交种溯源提供分子证据，更揭示了光合相关基因（如psbA）的强选择约束与次生代谢基因（如ycfl）的快速进化并存现象。这些发现对薄荷属种质鉴定、杂交育种及药用成分合成通路研究具有重要指导价值，也为唇形科植物比较基因组学研究建立了新范式。