耧斗菜属(Aquilegia)叶绿体基因组系统发育与结构变异研究：揭示被子植物质体进化新机制

本研究针对耧斗菜属(Aquilegia)系统发育关系模糊及叶绿体基因组(plastome)结构变异机制不明的问题，通过测序75个物种的完整质体基因组，重建了高支持度的系统发育框架，发现IR/SC边界基因拷贝数变异(CNVs)和LSC区倒位(inversion)伴随短反向重复(sIRs)的演化模式。研究首次揭示sIRs的丢失驱动质体结构分化，鉴定出10个超变区(hypervariable regions)可用于物种鉴定，为被子植物质体进化研究提供新范式。

　　

在植物进化研究领域，耧斗菜属(Aquilegia)因其近期快速辐射分化特性，长期困扰着分类学家。这个包含约80种药用和观赏植物的北半球广布属，虽经多次系统发育重建尝试，却始终未能获得高分辨率的演化框架。更引人关注的是，其叶绿体基因组中神秘的倒位结构和边界变异现象，可能隐藏着被子植物质体进化的关键密码。

为破解这些谜题，研究者们采用基因组浅层测序技术，完成了75个耧斗菜属物种和6个唐松草亚科(Thalictroideae)近缘种的质体基因组测序。通过比较基因组学和系统发育分析，揭示了该属质体基因组独特的进化轨迹。论文发表于《BMC Plant Biology》，为理解被子植物质体结构变异提供了突破性见解。

关键技术方法包括：1) 基于CTAB法从75个耧斗菜属物种和6个外群物种中提取DNA；2) 使用Illumina NovaSeq 6000平台进行双端测序；3) 通过GetOrganelle软件组装完整质体基因组；4) 采用MAFFT进行多序列比对；5) 运用RAxML和MrBayes进行最大似然法和贝叶斯系统发育分析；6) 使用DNASP进行滑动窗口分析鉴定超变区。

研究结果

Plastome feature

研究发现耧斗菜属质体基因组呈现典型的四分区结构，大小介于159,782-162,480 bp。特别值得注意的是，所有Aquilegia、Semiaquilegia和Urophysa物种的LSC区均存在12,592-13,121 bp的倒位，根据相邻sIRs特征可分为三种结构类型：I型仅含倒位，II型含倒位和sIRs1，III型含倒位及更长的sIRs1+sIRs2。

Phylogenetic analyses

基于完整质体基因组的系统发育分析将耧斗菜属划分为2个主要分支和8个地理相关亚支，支持率显著提升(BS=100%, PP=1.0)。其中I-1支含北美物种，I-2支为亚洲物种，I-3支以北美物种为主；II-1至II-5支则呈现亚洲-欧洲分布式样。

Evolutionary inference of SVs in LSC region

祖先状态重建显示，III型结构(含完整sIRs1+sIRs2)为耧斗菜属最近共同祖先(MRCA)特征。演化过程中，II-3至II-5支祖先丢失sIR2形成II型结构，部分支系进一步丢失sIR1退化为I型。sIR2长度变异显著(14-876 bp)，存在11个微小变异位点。

Identification of hypervariable regions

核苷酸多样性分析发现LSC和SSC区变异程度显著高于IR区。鉴定出10个超变区域，包括9个非编码区(rpl2-rpl23等)和infA基因，其组合可有效区分所有研究物种。

结论与意义

该研究建立了耧斗菜属迄今最完整的系统发育框架，揭示其质体基因组通过IR区收缩和sIRs丢失产生结构变异的新机制。发现LSC区倒位可能由相邻sIRs诱导，并通过sIRs的逐步丢失而固定，这一发现为理解被子植物质体结构演化提供了新模式。鉴定的10个超变区为耧斗菜属物种鉴定和遗传多样性研究提供了高效分子标记。研究不仅解决了该属分类学难题，更通过结构变异与系统发育的关联分析，为理解快速辐射类群的基因组进化提供了重要案例。