中国两种短距兰属植物叶绿体全基因组比较分析及其系统发育意义

本研究首次报道了短距兰属(Brachycorythis)两种中国特有植物B. henryi和B. menglianensis的完整叶绿体(cp.)基因组，通过比较基因组学分析揭示了其结构特征和系统发育关系。研究发现这两种植物具有典型的四分区结构，基因组长度分别为153,006 bp和152,932 bp，GC含量均为37.2%。系统发育分析表明亚洲和非洲的短距兰属物种分别形成独立分支，支持该属的亚非间断分布格局，同时证实B. menglianensis应为独立物种而非B. henryi的异名。该研究为兰科植物系统发育和物种鉴定提供了重要分子证据。

　　

在兰科植物这个植物界第二大科中，短距兰属(Brachycorythis)因其独特的形态特征和亚非间断分布格局而备受关注。这个包含约35个物种的属主要分布在热带非洲和马达加斯加，少数物种延伸至亚洲热带和亚热带地区。中国记录有3个物种，其中包括云南西南部特有的B. menglianensis。这些植物具有通体密被叶片的大型茎干，唇瓣分化为船形或距状的基唇和扁平前伸的顶唇，某些种类还具有药用和食用价值。然而，由于栖息地破碎化和过度采集，野生种群数量正在下降，亟需深入研究以指导保护工作。

短距兰属的系统位置和种间关系长期存在争议。早期的形态学研究将其归入红门兰族(Ophrydeae)，后转入兰亚族(Orchidinae)。有学者建议将Schizochilus属的两个种并入短距兰属，但因形态和生境差异未被广泛接受。分子系统学研究也得出不同结论：有研究认为短距兰属与舌喙兰属(Hemipilia s.l.)是姐妹群；另有分析显示亚洲的短距兰属物种构成单系群，与兰亚族某些类群(超分支I+II)互为姐妹群；而基于非洲物种的研究则支持短距兰属与超分支I+II的姐妹关系。特别值得注意的是，非洲物种B. macowaniana的系统位置摇摆不定，曾被归入短距兰属、玉凤花属(Habenaria)、舌唇兰属(Platanthera)和红门兰属(Gymnadenia)，最终被处理为新属Gyaladenia的成员。此外，亚洲的6个物种构成的"B. helferi复合群"因形态特征重叠而难以鉴别，其中B. menglianensis曾被怀疑是B. henryi的异名。

为澄清这些分类学争议，西南林业大学的研究人员首次完成了中国两种短距兰属植物B. henryi和B. menglianensis的叶绿体全基因组测序和分析。研究采用改良CTAB法提取DNA，使用Illumina HiSeq 2500平台进行双端测序(2×150 bp)，通过GetOrganelle软件组装叶绿体基因组，CPGAVAS2在线程序进行注释，Geneious Prime软件手动校正。比较分析包括与兰亚族8个近缘物种的基因组结构、密码子使用、重复序列、IR边界和DNA多态性等特征。系统发育分析基于62个单拷贝CDS序列和matK+rbcL序列，分别构建了包含31个和40个兰亚族物种的最大似然(ML)树。

研究首先揭示了两种短距兰属植物的叶绿体基因组结构特征。两者均呈现典型的四分区环状结构，B. henryi和B. menglianensis的基因组总长分别为153,006 bp和152,932 bp，GC含量均为37.2%。IR区的GC含量(43.3%)显著高于LSC(34.9%)和SSC区(30%)。两个基因组均包含133个基因，其中87个蛋白编码基因(CDS)、8个rRNA基因和38个tRNA基因，20个基因在IR区重复。值得注意的是，两个基因组都保留了完整的ndh基因套组(ndh A/B/C/D/E/F/G/H/I/J/K)，属于ndh-complete类型，这与大多数光合自养植物中ndh基因功能非必需的观点形成对比。

重复序列分析发现了丰富的系统发育信息。在10个兰亚族物种中检测到68-92个SSR(简单序列重复)，主要以短poly-A或poly-T重复为主，单核苷酸重复最常见。特别的是，复合型重复(c*)存在于6个物种但在两种短距兰属植物中缺失；五核苷酸重复(P5)出现在两个红门兰属物种和D. viridis及H. yajiangensis中；六核苷酸重复(P6)则见于两个舌喙兰属物种和B. henryi。长序列重复(LSR)分析显示，10个物种中存在21-71个长重复序列，其中正向(F型)和回文(P型)重复最为丰富。值得注意的是，反向(R型)重复存在于9个物种(D. viridis除外)，而互补(C型)重复在两种短距兰属植物和D. viridis及G. crassinervis中缺失。

密码子使用分析显示，10个物种的叶绿体基因组包含编码20种氨基酸的64种密码子。亮氨酸(Leu)密码子数量最多，色氨酸(Trp)最少。根据相对同义密码子使用(RSCU)值，这些基因组可分为四组：B. menglianensis有29个密码子RSCU<1和35个RSCU≥1；P. chlorantha为30:34；G. conopsea和H. yajiangensis为32:32；其余6个物种为31:33。几乎所有CDS都使用标准ATG起始密码子，终止密码子以TAA最常见，TGA和TAG也有出现。

IR边界比较揭示了保守的进化特征。10个物种的IR/SC连接位置高度保守，ndhF和ycf1基因分别位于IRb/SSC和SSC/IRa边界区，ycf1基因在IRb/SSC有一个拷贝并与ndhF基因重叠。IRb区延伸至rpl22基因，长度44-87 bp不等。trnN和rps19基因在所有物种的IR区都被识别，psbA基因则位于LSC区，与IRa/LSC边界距离在9个物种中为97-203 bp，而在D. viridis中达1374 bp。

系统发育分析得出重要结论。基于62个单拷贝CDS序列的ML树显示，两种短距兰属植物形成独立分支但具不同分支长度，与兰亚族s.s.相关类群构成姐妹群(UFBoot支持率100%)。值得注意的是，假设与短距兰属相关的三个属(舌唇兰属、红门兰属和舌喙兰属)的物种与其他属成员聚在一起。基于matK+rbcL序列的分析进一步证实，6个短距兰属物种构成单系群(UFBoot支持率99%)，其中亚洲的B. henryi、B. menglianensis和B. obcordata与非洲的B. buchananii、B. pubescens和B. congoensis分别形成两个独立分支(支持率99%)，完美对应其亚非间断分布格局。特别值得注意的是，B. macowaniana未与其他6个短距兰属物种聚在一起(支持率96%)，支持将其归入Gyaladenia属。

这项发表在《BMC Genomics》的研究具有多重重要意义：首次提供了短距兰属的完整叶绿体基因组数据，解决了B. menglianensis的