385个木薯品种叶绿体基因组解析揭示系统发育关系与进化历史

本研究针对木薯(Manihot esculenta)叶绿体基因组(cpDNA)多样性认知不足的问题，通过组装385个栽培品种完整cpDNA，发现其具有典型四分区结构（LSC/SSC/IR），鉴定出rrn16S-trnI-GAU等3个高变区作为分子标记，将品种划分为4个进化分支，为木薯遗传改良提供重要理论依据。

　　

木薯作为热带地区重要的淀粉作物，其遗传多样性研究长期受限于叶绿体基因组数据的匮乏。尽管前人已对核基因组开展探索，但cpDNA的高度保守性使其成为研究系统发育关系的理想靶标。现有数据库中仅存TME3栽培种及其野生近缘种M. esculenta subsp. flabellifolia的叶绿体参考序列，这种数据缺口严重阻碍了对木薯驯化历史和品种间遗传关系的深入理解。

广西亚热带作物研究所联合国内外团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，通过基因组浅层测序技术对385个木薯品种叶绿体基因组进行从头组装。研究发现这些cpDNA长度介于160,702-161,564 bp之间，GC含量稳定在35.87%-35.97%，均呈现典型的四分区结构——包含大单拷贝区(LSC, 88,633-89,406 bp)、小单拷贝区(SSC, 18,132-18,255 bp)和两个反向重复区(IR, 26,931-26,995 bp)。值得注意的是，位于IRa区的rps19基因在所有品种中均呈现假基因化，而ycf1基因仅在3个品种中出现功能缺失。

关键技术方法包括：1) 使用NOVOPlasty和GetOrganelle进行叶绿体基因组从头组装；2) 基于全基因组比对构建最大似然树(ML)和贝叶斯推断树(BI)；3) 通过mVISTA和IRSCOPE分析IR边界变异；4) 利用MISA和REPuter软件鉴定SSR和分散重复序列。样本来源于广西亚热带作物研究所种质资源圃100个新品系及NCBI数据库285个现有品种。

基因组特征分析

比较基因组学显示所有cpDNA具有高度保守的基因顺序和内容，共注释131个基因（85个蛋白编码基因、38个tRNA和8个rRNA）。位于IR边界的rps19和ndhF基因呈现精确的92bp/187bp分界模式，证实IR区扩张收缩事件在木薯中极为有限。

系统发育与单倍型网络

基于160,539bp对齐序列构建的进化树将385个品种划分为4个分支（Clade 1-4），其中Clade 1（13品种）与其他分支遗传距离最大。单倍型网络分析发现48种单倍型，其分布与系统发育分支完全对应，但形态特征与地理起源未呈现明显关联。

分子标记开发

鉴定出3个高变区：LSC区的rrn16S-trnI-GAU和rps4-trnF-GAA，以及SSC区的ycf1，其核苷酸多样性(π)最高达0.0055。这些区域仅用6,645bp序列即可准确区分所有4个分支。全基因组共检测到31,045个SSR标记，其中单核苷酸重复占比54.4%，四分支在(TAT)₄等特征性SSR类型上存在显著差异。

密码子使用与重复序列

密码子偏好性分析显示AGA（精氨酸）和UUA（亮氨酸）使用频率最高（RSCU>1.5），反映A/U碱基偏好。检测到30,105个分散重复序列，包括21,438个正向重复和8,617个回文重复，其中Clade 1品种在trnG-GCC-trnR-UCU区间存在208bp特征性缺失。

该研究首次建立大规模木薯叶绿体基因组数据库，揭示其进化过程中IR区高度稳定、编码区极端保守的特性。提出的高变区标记和SSR指纹为品种鉴定提供新工具，而四分支的划分修正了木薯驯化历史的认知框架。这些发现不仅填补了Euphorbiaceae科植物质体基因组研究的空白，更为木薯分子育种中的亲本选配和性状关联分析奠定基础。未来研究可整合核基因组与块根品质性状数据，进一步解析基因型-表型关联机制。