Cyrtosia nana完整叶绿体基因组揭示兰科异养进化新机制

本研究首次报道了我国西南特有兰花Cyrtosia nana的完整叶绿体基因组（cp genome），其大小仅85.8 kb，显著小于陆地植物平均值（151 kb），揭示了大规模基因损失（如NDH基因簇）与异养（mycotrophic）适应的关联。通过二代测序（NGS）和系统发育分析，证实该物种与近缘种Cyrtosia lindleyana形成姐妹群，为兰科（Orchidaceae）亚科Vanilloideae的进化提供了关键分子证据。该成果填补了Cyrtosia属叶绿体基因组空白，推动了对植物光合功能退化的研究。

　　

文章内容总结

摘要

Cyrtosia nana是一种分布于中国西南和泰国的异养（mycotrophic）兰花，依赖真菌共生生存。本研究通过二代测序技术（NGS）首次组装其完整叶绿体基因组（cp genome），并构建系统发育框架。基因组全长85,766 bp，包含一对反向重复区（IR, 12,999 bp）、小单拷贝区（SSC, 14,744 bp）和大单拷贝区（LSC, 45,024 bp）。该基因组编码47个独特基因，包括28个蛋白质编码基因（PCGs）、16个tRNA基因和3个rRNA基因。系统发育分析表明，Cyrtosia nana与Cyrtosia lindleyana和Cyrtosia septentrionalis亲缘关系密切。这一成果为兰科进化研究提供了新基础。

引言

Cyrtosia nana（Rolfe ex Downie）Garay是一种美丽的小型兰花，具有肉质根和淡黄色花朵，生长于湿润森林环境。异养植物虽丧失光合能力，但叶绿体基因组仍保留，并伴随基因损失现象，这成为研究进化适应的模型。目前，兰科亚科Vanilloideae中仅两个Cyrtosia物种的叶绿体基因组被报道，限制了该属的分类和进化研究。本研究旨在填补这一空白，利用Illumina测序技术解析Cyrtosia nana叶绿体基因组，并与近缘物种比较，以揭示其在兰科系统发育中的位置。

材料与方法

材料

样本采集自中国重庆江津区（经纬度：28.6007° N, 106.4464° E），干燥后暂存于硅胶中。凭证标本（voucher specimen）编号ZY500116101，保藏于重庆自然博物馆植物标本馆（CQNM），联系人Ding-Xiang Yu。

DNA提取、扩增和测序

采用Doyle和Doyle（1987）方法从硅胶干燥叶片中提取DNA。文库构建插入片段约350 bp，测序在北京华大基因研究院（BGI）完成。

叶绿体基因组组装与注释

使用fastp v0.23.2过滤原始数据（约10 Gb），通过GetOrganelle v1.7.6.1组装。注释基于Cyrtosia septentrionalis参考基因组（MH615835），利用Geneious Prime v2023.1.2和Geseq工具校正。基因组图谱由CPGview生成，数据提交GenBank（登录号PV083754）。

系统发育分析

基于Vanilloideae亚科12个物种的28个共享蛋白质编码基因（PCGs），以Apostasia wallichii为外群。序列比对使用MAFFT v7.508，位点过滤采用Gblocks v0.9b。核苷酸替代模型通过jModelTest v.2.1.6选择最优模型（GTR+F+R3），最大似然法（ML）建树使用IQ-Tree v1.6.10，可视化通过FigTree v1.4.4完成。

结果

原始数据发布于NCBI BioProject PRJNA1213241，叶绿体基因组平均覆盖深度817×。Cyrtosia nana完整叶绿体基因组全长85,766 bp，GC含量34.8%，其中LSC（30.7%）、SSC（37.4%）和IR（40.6%）区域差异显著。共注释59个基因（47个独特），包括34个PCGs、21个tRNA基因和4个rRNA基因。内含子存在于3个基因中：rpl2和ycf1各一个内含子，clpP含两个内含子。系统发育树显示，Cyrtosia属三个物种形成单系群，Cyrtosia nana与Cyrtosia lindleyana聚为姐妹支（高支持率），并与Cyrtosia septentrionalis紧密相关。

讨论与结论

Cyrtosia nana叶绿体基因组（85.8 kb）远小于陆地植物平均值（151 kb），与同属物种一致，表现为大规模基因损失，尤其NDH基因簇完全缺失（仅Cyrtosia septentrionalis保留残缺ndhB）。此外，atpA、atpB、rbcL等光合相关基因在Cyrtosia nana中丢失，这可能是其适应林下无光环境的进化策略，与异养生活方式相关。系统发育首次明确Cyrtosia nana在Vanilloideae亚科Vanillinae族的分类位置，证实其与Cyrtosia lindleyana的亲缘关系，后者在中国植物志中曾归为Galeola lindleyana。本研究填补了Cyrtosia属叶绿体基因组空白，为兰科进化、基因功能退化及保护生物学提供了分子基础。未来研究可深入探讨Cyrtosia与Galeola属的亲缘关系。

伦理批准

样本采集符合国际伦理规范，未破坏当地环境，且采集点非保护区。

所有数据公开于NCBI（GenBank PV083754、SRA SRR32064690、BioSample SAMN46321526）。