茉莉花属植物细胞器基因组比较分析揭示木犀科适应性分化与系统发育冲突

为解决茉莉花属(Jasminum)系统发育关系不清、器官基因组进化机制不明等问题，研究人员对4个茉莉花品种的叶绿体(cpDNA)和线粒体基因组(mtDNA)开展比较基因组学研究。通过高通量测序和系统发育分析，发现叶绿体结构保守(162-164kb)而线粒体呈现谱系特异性可塑性(480-509kb)，鉴定出atpA、rps2等正选择基因(Ka/Ks>1)，揭示核-细胞器数据间的系统发育冲突源于杂交和不完全谱系分选。该研究为茉莉花分子育种和分类修订提供了重要基因组资源。

　　

茉莉花作为兼具生态价值和经济价值的重要植物，其芳香花朵广泛应用于园艺、香精和传统医药领域。全球茉莉精油市场70%的份额由大花茉莉(Jasminum grandiflorum)和茉莉花(J. sambac)占据，其挥发性有机物(VOCs)如芳樟醇、苯甲酸甲酯等成分直接影响茉莉花茶的感官品质和市场价值。然而，茉莉花属植物长期面临分类混乱的难题——由于频繁杂交和形态趋同，传统分类系统依赖的核糖体ITS序列往往难以区分近缘种，而叶绿体基因组(ycf1等标记)和线粒体基因组在系统发育研究中的应用仍存在空白。

针对这些问题，贵州大学林学院的研究团队对茉莉花(J. sambac 'Maid'和'Grand Duke')、多花茉莉(J. multiflorum)和红素馨(J. seguinii)四个品种的细胞器基因组展开深入研究。通过比较基因组学和系统发育分析，揭示了叶绿体与线粒体基因组的进化差异及其适应性意义，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。

研究人员采用Illumina MiSeq平台进行双端测序，使用GetOrganelle软件组装获得完整的叶绿体(162-164kb)和线粒体基因组(480-509kb)。通过Ka/Ks比值分析检测正选择基因，利用REPuter和MISA识别重复序列与微卫星标记，采用mVISTA进行全基因组比对，结合PREPACT预测RNA编辑位点，并整合核ITS与78个细胞器基因构建多基因系统发育树。

在基因组特征方面，叶绿体呈现典型的四分体结构，编码112个基因(79个蛋白编码基因)，而线粒体基因数量(63个)和内含子分布存在种间差异。正选择分析显示叶绿体atpA(Ka/Ks=1.76)和rps2(1.51)等能量代谢相关基因受到强烈选择，线粒体则呈现更严格的纯化选择。密码子使用分析发现叶绿体偏好A/T结尾密码子(TTA-Leu RSCU=1.84-1.92)，而线粒体富集CCT-Pro(1.43-1.47)。

结构变异分析表明，叶绿体反向重复区(IR)边界存在谱系特异性扩张/收缩，如J. sambac 'Grand Duke'的SSC/IRb边界收缩108bp影响ndhF基因位置。线粒体则表现出重复序列驱动的结构可塑性，J. sambac 'Maid'含5421bp回文重复，而J. multiflorum在rps3附近有1928bp反向重复。RNA编辑分析发现线粒体nad4含35个C→U编辑位点，远多于叶绿体。

系统发育重建显示核ITS与细胞器数据存在拓扑冲突：线粒体树将J. seguinii置于基部分支，而ITS数据使其与J. multiflorum聚为一支。这种冲突源于水平基因转移事件——线粒体中检测到29-31个叶绿体来源序列，包括trnV-GAC和rrn16等tRNA/rRNA基因，其中J. seguinii线粒体含有独特的psbC片段(与叶绿体99%相似)。

该研究阐明了茉莉花属细胞器基因组的进化动态：叶绿体通过结构保守和正选择维持光合效率，线粒体则利用重复序列和RNA编辑实现功能可塑性。发现的ycf1、rps15等高变区为品种鉴定提供分子标记，而核-细胞器系统发育冲突提示杂交在茉莉花进化中的重要作用。这些发现不仅解决了木犀科分类学争议，还为茉莉花香气性状的分子育种奠定了理论基础，对提升茉莉花茶品质和精油产量具有应用价值。