质体基因组变异及其对菊科（Asteraceae）Gnaphalieae族中Helichrysum-Anaphalis-Pseudognaphalium（HAP）类群的系统发育意义

《PhytoKeys》：?Plastid genome variation with phylogenetic implications for the Helichrysum- Anaphalis- Pseudognaphalium (HAP) of the tribe Gnaphalieae (Asteraceae)

叶绿体基因组测序与系统发育分析揭示HAP族群的进化关系和结构特征。通过28种代表物种的叶绿体基因组比较和系统发育重建，发现该族群分为早期分化的非洲谱系和包含两个子群（核心I和核心II）的主干群。基因组结构高度保守，包含131-134个基因，但存在trnT-GGU基因的假基因化现象和ycf15基因的物种特异性特征。研究结果为理解该族群的系统发育和生态适应性提供了分子证据。

　　### 研究背景与意义

在被子植物中，菊科（Asteraceae）是一个极为重要的科，包含大量具有经济价值和生态意义的物种。其中，菊科中的Gnaphalieae族是该科中最为多样化的一个族，涵盖了约178个属和超过2100种植物，广泛分布于全球除南极洲以外的所有大陆。这一族的植物主要分布在南半球的山区，尤其在南非、大洋洲和美洲等地具有较高的多样性。然而，尽管该族的物种数量庞大，其内部的系统发育关系仍然存在诸多未解之谜，尤其是在Helichrysum-Anaphalis-Pseudognaphalium（HAP）这一分支中，其系统发育关系尚未完全明确。

HAP分支包括Helichrysum、Anaphalis、Pseudognaphalium等属，其中Helichrysum是该分支中最主要的属之一，拥有超过800种植物，占据了整个Gnaphalieae族的三分之一以上。由于该属植物在形态学上具有高度的多样性，传统的分类方法和基于有限分子标记的系统发育分析难以准确解析其系统发育关系。因此，研究HAP分支的系统发育和基因组结构具有重要的科学价值和应用前景。

### 研究目标与方法

本研究旨在通过分析HAP分支中28个代表性物种的叶绿体基因组，揭示其基因组成、结构特征以及系统发育关系。通过对这些基因组进行比较和系统发育分析，我们希望进一步理解该分支内部的进化机制和基因组变异情况。为了实现这一目标，我们采用了先进的测序技术，对这些植物的叶绿体基因组进行了高通量测序，并通过基因组组装和注释工具，获得了完整的基因组序列。

研究过程中，我们使用了GetOrganelle 1.7.7这一自动化基因组组装流程，结合Bandage进行可视化调整，并使用GeSeq进行基因注释。此外，我们还利用Chloe和tRNAscan-SE等工具进行交叉验证，以确保注释的准确性。通过这些步骤，我们成功地构建了28个物种的叶绿体基因组，并进一步进行了系统发育分析。

### 研究结果与发现

通过系统发育分析，我们发现HAP分支可以分为两个主要的亚群：一个早期分化的亚群和一个核心亚群。其中，早期分化的亚群主要由来自南非的Helichrysum属的某些种组成，而核心亚群则包括更多的Anaphalis和Pseudognaphalium种。这些发现为理解HAP分支的进化历史提供了新的视角。

在基因组结构方面，HAP分支的叶绿体基因组呈现出典型的四部分结构，包含大单拷贝（LSC）、小单拷贝（SSC）和两个反向重复区（IRa/b）。所有物种的基因组长度在151,695到153,603 bp之间，基因数目在131到134之间，其中蛋白质编码基因占87到89个，tRNA基因占36到37个，rRNA基因占8个。这些基因组结构的高度保守性表明，HAP分支的叶绿体基因组在基因组成和排列上具有较高的相似性。

在基因组变异方面，我们发现早期分化的HAP分支和Anaphalis属的某些种具有相对较小的基因组，这可能与其适应干旱环境的特性有关。此外，早期分支中的某些物种如Helichrysum appendiculatum、Helichrysum arenarium等缺少了trnT-GGU基因，而这一基因在其他分支中则以假基因的形式存在。这一发现进一步支持了早期分支的特殊性。

### 基因组比较与重复序列分析

通过对HAP分支的叶绿体基因组进行比较，我们发现该分支中存在大量的重复序列，其中单核苷酸重复（SSR）和四核苷酸重复是最常见的类型。此外，我们还检测到了正向、反向、互补和回文重复序列，这些重复序列的分布可能与基因表达和进化压力有关。例如，某些基因如rps16和trnK在不同物种中表现出不同的重复模式，这可能反映了其在进化过程中的选择压力。

在重复序列的分析中，我们发现HAP分支的基因组中存在较多的插入和缺失（indels），这些变异可能对基因组长度和结构产生显著影响。特别是在早期分化的HAP分支中，插入事件更为频繁，而缺失事件则相对较少。这一现象可能与该分支植物的适应性进化有关，例如在干旱环境中，较小的基因组可能有助于提高生长速率和适应能力。

### 系统发育分析与基因选择压力

通过最大似然法（ML）和贝叶斯推断法（BI），我们构建了HAP分支的系统发育树，并发现早期分化的亚群和核心亚群之间的关系具有较高的支持度。此外，我们还发现，Anaphalis属的某些种在系统发育树中表现出不同的分化模式，这可能与其基因组结构和选择压力有关。

在选择压力分析中，我们计算了非同义替换率（Ka）和同义替换率（Ks）的比值（Ka/Ks），以评估不同基因在进化过程中的选择压力。结果显示，某些基因如rps8和ycf2在Anaphalis contorta和Helichrysum micropoides中表现出接近中性选择的特征，这可能意味着这些基因在进化过程中受到的选择压力较小。

### 讨论与结论

本研究的结果表明，HAP分支的叶绿体基因组在结构和组成上具有高度的保守性，但其内部的系统发育关系和基因组变异情况较为复杂。通过分析不同物种的基因组结构，我们发现早期分化的HAP分支和Anaphalis属的某些种具有较小的基因组，这可能与其适应干旱环境的特性相关。此外，某些基因如trnT-GGU和ycf15在不同物种中表现出不同的存在状态，这可能反映了其在进化过程中的功能变化。

总的来说，本研究为理解HAP分支的系统发育关系和叶绿体基因组的进化提供了新的证据。通过对叶绿体基因组的深入分析，我们不仅揭示了该分支内部的结构特征，还为未来的分类学研究和分子标记开发提供了重要的参考。这些发现有助于进一步揭示HAP分支植物的适应机制和进化历史，为相关领域的研究提供了新的视角和方法。