甘草属药用植物杂交复合体的质体父系遗传新发现与高效分子鉴定系统构建

本研究针对甘草属(Glycyrrhiza)三种药用植物（G. uralensis、G. inflata、G. glabra）因广泛杂交导致的分类难题，通过形态学分析、质体基因组测序和新型DNA条形码ndhA开发，首次确证甘草属质体父系遗传模式，建立分辨率达98.08%的分子鉴定系统（ITS+trnH-psbA+ndhA），为药用甘草资源精准鉴定和杂交起源解析提供关键技术支撑。

　　

在传统中医药领域，甘草被誉为"国老"，其三大药用物种——乌拉尔甘草(Glycyrrhiza uralensis)、胀果甘草(G. inflata)和光果甘草(G. glabra)因含有独特的活性成分而具有重要药理价值。然而，这些物种在自然分布区频繁杂交形成的杂交复合体，使得基于形态特征的鉴别变得异常困难。更棘手的是，杂交导致的基因渗入使得药用材料的化学组成发生改变，直接影响临床疗效和药材质量稳定性。面对野生资源锐减和栽培品种混乱的双重压力，建立可靠的鉴定方法成为保障甘草资源可持续利用的关键科学问题。

石河子大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，通过整合多学科方法破解了这一难题。研究人员首先对来自新疆和甘肃9个自然杂交区的345份样本进行形态学分析，发现5种具有种间镶嵌特征的杂交表型。为解决单纯形态鉴定的局限性，团队对人工杂交实验的亲本和子代进行高通量测序，获得8个完整叶绿体基因组。通过变异位点比较分析，首次确证甘草属植物存在质体父系遗传现象，推翻了过去认为其遵循母系遗传的观点。

关键技术包括：（1）基于12个叶绿体基因组筛选高变区，开发出新型DNA条形码ndhA；（2）构建包含核基因ITS、叶绿体基因trnH-psbA和ndhA的三联鉴定系统；（3）采用最大似然法(ML)构建系统发育树；（4）对237份疑难材料进行分子鉴定验证。所有实验材料均来自中国新疆和甘肃的天然杂交区，人工杂交材料保存于石河子大学标本馆(SHI)。

【形态特征分析】
通过关键性状（荚果背腹弯曲度、膨大程度及小叶形态）的系统观察，明确三大物种的鉴别特征：G. uralensis具螺旋状或镰刀状荚果，G. inflata为短直膨大荚果，G. glabra则表现为直或微弯的非膨大荚果。在杂交区发现5类典型杂交表型，如兼具双亲特征的"稍弯曲略膨大荚果"类型，为杂交复合体形态鉴定奠定基础。

【质体遗传模式】
比较两组人工杂交组合（G. uralensis × G. eurycarpa和G. uralensis × G. inflata）的亲本与子代叶绿体基因组，发现子代与父本的序列相似性显著高于母本（P<0.01），变异位点共享率达99.85%。系统发育树显示杂交后代与父本形成单系群，为质体父系遗传提供确凿证据。

【新型DNA条形码开发】
从12个叶绿体基因组中筛选出7个高变区，其中ndhA在50个碱基内即可区分三物种：G. uralensis(AGCTATCTCC-G)、G. inflata(AGCTATCTCC-A)和G. glabra(GGAGATAGCT-A)。该条形码的核苷酸多样性(Pi)达0.00811，显著高于常规条形码trnH-psbA。

【分子鉴定系统验证】
新系统（ITS+trnH-psbA+ndhA）在52份样本中鉴定出22种单倍型，包括3个纯种种群和14种基因渗入类型，分辨率达98.08%，较旧系统（ITS+trnH-psbA+rbcL+matK）提升2.56%。典型案例显示，形态类似G. uralensis的样本J2.W实际为G. glabra×G. uralensis杂交种，证实隐性杂交复合体的存在。

这项研究通过多维度证据链解决了甘草属杂交复合体的三大核心问题：（1）首次确证质体父系遗传模式，为杂交起源推断提供理论依据；（2）开发的ndhA条形码突破传统条形码分辨率不足的瓶颈；（3）建立的鉴定系统可实现大规模药材快速检测。该成果不仅为甘草属植物系统分类和资源保护提供关键技术支撑，其研究范式也为其他存在杂交复合体的药用植物鉴定提供了重要参考。尤其值得注意的是，质体父系遗传的发现改变了传统认知，提示在药用植物杂交育种中父本选择可能对次生代谢产物合成具有更显著影响，这为优质甘草品种选育提供了新思路。