HAP分支叶绿体基因组解析：菊科蒿草族系统发育与质体演化新视野

本研究针对菊科蒿草族中最大的HAP分支（Helichrysum-Anaphalis-Pseudognaphalium），通过28个物种的叶绿体基因组比较与系统发育分析，解决了该群体长期存在的系统关系模糊问题。研究发现HAP分支可分为早期分化谱系和核心分支，揭示了trnT-GGU基因丢失、ycf15假基因化等特征性变异，为理解该群体的适应性演化和分类修订提供了坚实的基因组学证据。

　　

在菊科植物浩瀚的家族中，蒿草族（Gnaphalieae）以其丰富的物种多样性和广泛的分布格局占据重要地位。其中Helichrysum、Anaphalis和Pseudognaphalium等属组成的HAP分支，更是包含了超过800个物种，约占整个族的三分之一。然而，由于形态特征复杂且传统分子标记分辨率有限，该分支内部的系统发育关系一直模糊不清，特别是Helichrysum属被发现是并系群，其他属种嵌套其中，使得分类学修订和演化历史研究陷入困境。更棘手的是，叶绿体基因组的潜在结构变异和演化动态在该群体中尚未得到系统解析。为了解决这些难题，研究人员在《Phytomedicine Plus》上发表了这项针对HAP分支叶绿体基因组的开创性研究。

研究团队采用了多项关键技术：首先采集了28个HAP分支代表物种的样本，涵盖Helichrysum、Anaphalis、Pseudognaphalium和Achyrocline等关键类群；通过Illumina HiSeq 4000平台进行150 bp双端测序；使用GetOrganelle流程进行叶绿体基因组组装，经Bandage可视化校正；通过GeSeq结合Chloe和tRNAscan-SE进行基因组注释；采用MAFFT进行多序列比对；运用RAxML和MrBayes分别进行最大似然法和贝叶斯法的系统发育重建；利用MISA和REPuter分析重复序列；通过mVISTA和CPJSdraw进行基因组结构比较；使用DnaSP计算核苷酸多样性（Pi）；基于RSCU值分析密码子使用偏好；最后通过ParaAT的KaKs_Calculator计算Ka/Ks比值以评估选择压力。

叶绿体基因组内容与特征

所有HAP分支叶绿体基因组都显示出典型的四部分结构，由两个反向重复区（IRa/b）分隔大单拷贝区（LSC）和小单拷贝区（SSC）。基因组长度在151,695-153,603 bp之间，共编码131-134个基因，包括87-89个蛋白编码基因、36-37个tRNA基因和8个rRNA基因。GC含量稳定在37.1%-37.2%之间，IR区显示出比LSC和SSC区更高的GC含量。比较基因组学分析表明基因内容和组织结构高度保守，未检测到重大重排事件。

HAP内部的系统发育关系

基于完整叶绿体基因组的系统发育分析将HAP分支分为一个早期分化谱系和一个大型核心分支，后者又进一步分为核心I和核心II两个亚支。早期谱系主要由南非的Helichrysum物种组成，而核心分支则包含了Anaphalis、Pseudognaphalium和其余Helichrysum物种。值得注意的是，Helichrysum被证实为非单系群，Anaphalis、Achyrocline和Pseudognaphalium等属都嵌套其中。Pseudognaphalium与Achyrocline madioides构成一个支持良好的分支，而Anaphalis物种则分散在两个不同的亚支中。

基因组结构比较

早期谱系成员显示出相对较小的基因组总长度，这主要源于LSC和IR区域的缩短，但SSC区域反而较长。这种基因组大小的减少可能与它们对南非干旱环境的适应有关，因为较小的基因组可以加快细胞分裂周期，提高在短暂生长季中的生长速率。IR边界分析显示基因排列相对保守，但ycf1基因在边界位置的分布存在种间变异。

重复序列分析共鉴定出1,345个重复序列，其中正向和回文重复比互补和反向重复更常见。SSR分析发现1,808个SSR位点，单核苷酸和四核苷酸重复最为丰富。特别值得注意的是，Pseudognaphalium属的所有物种都缺乏六核苷酸重复。

核苷酸多样性、密码子使用和选择压力

核苷酸多样性（Pi）分析发现了六个高变区域，其中ndhF-ycf1（Pi=0.02901）和ycf1（Pi=0.02811）等SSC区域位点变异度最高，具有作为DNA条形码的潜力。密码子使用偏好分析显示29个密码子的RSCU值大于1.0，其中AGA（精氨酸）的RSCU最高（2.0882）。Ka/Ks分析表明大多数基因受到纯化选择（Ka/Ks < 1），但rps8基因在Anaphalis contorta中显示出近中性演化信号（Ka/Ks=0.990664）。

研究的讨论部分深入分析了这些发现的重要意义。叶绿体基因组的高度保守性可能源于其单亲遗传、罕见的质体融合和活跃的修复机制。系统发育冲突（cpDNA与nrDNA的不一致）可能由异源多倍化、杂交、不完全谱系分选或祖先多态性保留等因素引起。特别值得关注的是trnT-GGU基因的演化命运：该基因在整个核心I分支中完全缺失，在早期谱系和核心II分支中则多为假基因状态（除Anaphalis contorta外）。这种基因丢失和假基因化事件导致了HAP分支内两种不同类型的叶绿体基因组。

另一个重要发现是Pseudognaphalium属中存在的ycf15基因，该基因仅有54 bp长度，含有提前出现的终止密码子，很可能是一个非功能性假基因。该属还缺乏六核苷酸重复序列，这些特征共同支持将其视为HAP分支中的一个独特谱系。

研究结论强调，HAP分支的叶绿体基因组具有典型的四部分结构和高度保守的基因组成，但通过详细的比较基因组学分析，揭示了早期谱系和核心分支之间的显著差异。系统发育重建提供了该群体内部关系的高分辨率图谱，而基因丢失（如trnT-GGU）、假基因化（如ycf15）和重复序列变异等特征为理解该群体的演化历史提供了重要线索。这些发现不仅增强了我们对HAP分支叶绿体基因组变异的理解，也为菊科植物的分类修订和演化研究提供了宝贵的基因组学资源。