红椿属植物线粒体基因组结构比较与系统发育分析揭示近缘种分化机制

本研究针对红椿属(Toona)植物线粒体基因组信息不完整的现状，通过测序T. rubriflora和T. microcarpa的线粒体基因组并重测序T. ciliata四个变种，首次系统比较了该属线粒体基因组结构特征。研究发现红椿属物种间存在显著的基因组重排现象，但编码基因序列高度保守，蛋白编码基因(PCGs)主要受纯化选择作用。研究构建了可靠的系统发育关系，证实T. ciliata变种间存在基因混合现象，为这一濒危物种群的保护策略提供了线粒体基因组层面的科学依据。

　　

在植物分类学和保护生物学领域，红椿属(Toona)植物因其重要的经济价值和濒危状况备受关注。这个广泛分布于亚洲和大洋洲的植物类群，在中国南方和西南地区分布着四个物种：香椿(T. sinensis)、红椿(T. ciliata)、小果红椿(T. microcarpa)和毛红椿(T. rubriflora)。其中红椿更因过度采伐和自然更新困难被列为国家二级保护植物，其五个变种基于叶和花形态特征划分，但分类学上长期存在争议。历史上该属植物曾被错误归类为洋椿属(Cedrela)，复杂的形态变异和可能的种间杂交使得分类鉴定困难重重。虽然前人利用核基因组和叶绿体基因组(cpDNA)序列开展过部分研究，但线粒体基因组(mtDNA)信息仍不完整，而mtDNA因其母系遗传特性和结构变异特征，在解决近缘种分类问题上具有独特优势。

华南农业大学林学与风景园林学院的研究团队在《Scientific Reports》发表了最新研究成果。研究人员采用二代和三代测序技术，完成了毛红椿和小果红椿线粒体基因组的测序组装，并对红椿四个变种进行重测序。通过比较基因组学方法，分析了GC含量、编码基因、密码子使用频率等特征，预测RNA编辑位点，检测重复序列，进行细胞内同源比较，并构建系统发育关系。样本采集自福建和广东的自然分布区，包括20个红椿变种个体和2个川楝(Melia azedarach)作为外群对照。

研究首先揭示了红椿属线粒体基因组的结构多样性。毛红椿的线粒体基因组为典型的环状结构，长度653,710 bp，GC含量45.42%，包含70个基因。小果红椿则成功组装为两个环状分子：染色体1(474,320 bp)和染色体2(166,958 bp)，分别携带44和26个基因。红椿变种yunnanensis 1的线粒体基因组长达831,995 bp，是已报道红椿属中最大的，包含80个基因。比较发现所有物种共享35个蛋白编码基因(PCGs)和3个核糖体RNA(rRNA)基因，但转运RNA(tRNA)基因数量在32-42个间变化。基因排列顺序存在显著差异，仅matR-nad3-rps12和rps1-rpl16-rps3基因片段在所有物种中完全保守。

在密码子使用特征方面，研究显示红椿属线粒体基因普遍偏好使用以A/T结尾的密码子。亮氨酸(Leu)、丝氨酸(Ser)和异亮氨酸(Ile)是最常见的氨基酸，密码子TTT(Phe)、TTC(Phe)和ATT(Ile)使用频率最高。相对同义密码子使用度(RSCU)分析发现，除甲硫氨酸(Met)和色氨酸(Trp)外，每种氨基酸都有偏好密码子(RSCU>1)，其中GCT(丙氨酸)的RSCU值最高。RNA编辑预测发现所有物种共享270个编辑位点，均涉及C到T的转换，其中TCA到TTA的编辑最常见。基因ccmB的编辑位点最多，而atp1等9个基因未检测到编辑事件。

重复序列分析表明，单核苷酸重复是红椿属线粒体基因组的主要重复类型，(A)n和(T)n重复明显多于(G)n和(C)n。红椿变种yunnanensis 1具有最多的长重复序列(212个)，其中最长的达162,009 bp。细胞内同源比较显示，红椿属线粒体基因组约3.3%-3.8%与叶绿体基因组同源，23.5%-24.3%与核基因组同源。特别发现8个基因(7个tRNA和psbF)在细胞器间完全同源。

基于35个PCGs构建的系统发育树显示，红椿属与川楝的分化时间约为56.54 Mya，属内物种分化时间在4.42-21.99 Mya之间。红椿变种在系统树上呈现混合分布，支持将其视为"红椿复合体"(T. ciliata complex)的保护策略。选择压力分析发现大多数PCGs的dN/dS比值小于1，表明主要受纯化选择作用，但atp4、ccmFN、rps1和rps10四个基因显示正选择信号(dN/dS>1)。

这项研究首次提供了红椿属线粒体基因组的全面比较，揭示了近缘种间基因组重排频繁但编码序列保守的进化特征。研究证实线粒体基因组能有效区分红椿属物种，但难以区分红椿变种，这一发现与基于形态学的分类存在冲突，反映了细胞核与细胞器基因组在分类中的不一致性。这种冲突可能源于不完全的谱系分选、自然选择阻碍或基因渐渗等因素。研究成果为红椿属物种鉴定提供了新的分子标记，为红椿复合体的保护管理提供了科学依据，同时也为理解植物线粒体基因组进化机制积累了重要案例。