基于叶绿体基因组的榆树（Ulmus pumila）种质资源遗传变异与多样性研究

为解决榆树种质资源遗传背景不清、传统标记分辨率不足的问题，研究人员对19个种群51份榆树样本进行叶绿体基因组测序，鉴定出313个SNVs和277个indels，发现trnT-psbD等4个高变区可作为分子标记。研究揭示了榆树分为2大分支5个谱系，其有效种群规模自上新世保持稳定，为种质资源保护与利用提供了重要依据。

　　

在广袤的北温带地区，榆树（Ulmus pumila）以其卓越的抗逆性和多用途价值成为生态与经济的双重瑰宝。这种能耐受盐碱、干旱与严寒的树种，不仅木材纹理美观，其嫩叶可作饲料，树皮能入药，果实富含油脂，堪称"沙漠中的生命之树"。然而随着种质资源库规模的扩大，一个紧迫问题浮出水面：如何从海量保存样本中精准识别具有代表性的遗传资源？传统基于形态学或RAPD、ISSR等分子标记的方法，因分辨率低和重复性差，难以满足现代育种需求。更令人担忧的是，榆树核基因组尚未测序，这为深入解析其遗传多样性设置了障碍。

中国林业科学研究院等机构的研究团队另辟蹊径，将目光投向母系遗传的叶绿体基因组。这种环状双链DNA结构稳定、突变速率适中，在揭示植物谱系关系方面具有独特优势。研究人员对来自6省19个种群的51份榆树样本进行全叶绿体基因组测序，通过多维度分析绘制出迄今最精细的榆树遗传图谱。相关成果发表在农林科学领域权威期刊《Industrial Crops and Products》上。

研究采用高通量测序技术获取数据，通过GetOrganelle软件组装叶绿体基因组，使用MAFFT进行序列比对。群体遗传分析结合了最大似然法（ML）构建系统发育树、ADMIXTURE分析群体结构、DnaSP计算单倍型多样性等方法。分歧时间估算采用BEAST软件，以5个校准点约束分子钟模型。

叶绿体基因组结构与变异特征
所有样本的叶绿体基因组均呈现典型的四部分结构（LSC/SSC/IRa/IRb），大小在159,330-159,778 bp之间。研究发现313个单核苷酸变异（SNVs）和277个插入缺失（indels），其中ycf1基因变异最丰富（23个SNVs）。值得注意的是，trnT-psbD、rpl32-trnL等4个非编码区被鉴定为"突变热点"，其单倍型数量达8-18个，显著高于其他区域。

谱系分化与群体结构
最大似然树揭示榆树分为两大分支（Cluster I和II），进一步细分为5个谱系。PCA分析显示三组间无重叠，单倍型网络图则识别出36种单倍型。群体分化指数（Fst）显示谱系A与D间遗传分化最强（0.9436），而D与E亲缘最近。地理分布显示谱系D集中分布于河北北部，谱系C主要见于山东，谱系A则广布8个省份包括新疆。

演化历史与种群动态
分子钟估算表明，榆树种内分化始于9.84百万年前（95% HPD:7.71-12.06 Ma），两大分支分别于6.77 Ma和6.05 Ma形成。贝叶斯天际线图显示，除谱系E在近百万年种群规模下降外，其他谱系自上新世保持稳定。中性检验中，Cluster I的Tajima's D值为负值，暗示历史扩张事件。

这项研究首次在基因组尺度揭示榆树种质资源的母系遗传多样性，为理解其适应性进化提供新视角。鉴定的4个高变区可作为"遗传条形码"，大幅提升种质鉴定效率。发现的5个谱系对应不同地理单元，建议作为保护管理的基本单元。更深远的意义在于，研究建立的叶绿体基因组变异数据库，将助力筛选具有特定抗逆基因型的育种材料——例如富含耐旱相关变异的谱系B种质，或抗寒特性突出的谱系D资源。

随着气候变化加剧，榆树这类抗逆先锋树种的生态价值日益凸显。该研究不仅为种质库"去冗余化"提供科学依据，更通过解码遗传多样性密码，为培育适应未来环境的"超级榆树"奠定基础。正如作者Kangjia Liu在讨论部分强调的："叶绿体基因组标记就像遗传显微镜，让我们看清了榆树适应不同环境的基因蓝图。"这项成果标志着木本植物种质资源研究进入精准化时代。