《Ecology and Evolution》：Complete Chloroplast Genomes of Five Ulmus pumila Cultivars: Comparative Analysis, Evolutionary Dynamics, and Germplasm Authentication Implications
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研究人员在本研究中测序并分析了五个 Ulmus pumila 栽培品种（“Yangguang Nanhai”、“Yangguang Nühai”、“Xu Ri”、“Yang Gang”和“Zhao Yang”）的完整叶绿体（chloroplast，cp）基因组
研究人员在本研究中测序并分析了五个 Ulmus pumila 栽培品种（“Yangguang Nanhai”、“Yangguang Nühai”、“Xu Ri”、“Yang Gang”和“Zhao Yang”）的完整叶绿体（chloroplast，cp）基因组，并纳入 NCBI 公开可用的 Ulmus pumila 种质进行种内比较分析，以阐明栽培品种水平的基因组变异、遗传多样性和系统发育位置。叶绿体基因组呈现典型的环状四分体结构，范围为 159,391–159,769 bp（base pair，bp），GC 含量（GC content）为 35.47%–35.56%。每个基因组编码 131–133 个基因，包括 86–89 个蛋白编码基因、36–37 个 tRNA（transfer RNA，tRNA）和 8 个 rRNA（ribosomal RNA，rRNA），基因含量的种内微小变异主要归因于 tRNA 假基因化（pseudogenization）。共鉴定出 154–164 个简单序列重复（simple sequence repeats，SSR）和 63–155 个长重复（long repeats），其中 SSR 主要由单核苷酸 A/T 重复组成；检测到栽培品种特异性重复位点，可作为栽培品种认证的候选标记。核苷酸多样性（nucleotide diversity，Pi）分析揭示了种内水平的高变区（hypervariable regions）（例如 trnH-GUG_psbA、ndhF_rpl32），可作为 Ulmus pumila 种质鉴定（germplasm identification）的补充分子标记。IR（inverted repeats，IR）边界分析显示栽培品种间边界基因（例如 rps19、ycf1）存在微小长度波动，代表种内结构多态性而非重大进化事件。在系统发育分析中，五个栽培品种与其他 Ulmus pumila 种质聚为一个支持良好的单支（clade），为榆属（Ulmus）单系性（monophyly）提供有力支持，并证实这些栽培材料紧密的母系遗传背景（maternal genetic background）。总体而言，本研究首次提供这五个 Ulmus pumila 栽培品种的完整叶绿体基因组资源，填补了栽培 Ulmus pumila 种质种内质体基因组（plastome）变异的空白，并为榆属物种的种质鉴定、母系谱系追踪和遗传育种（genetic breeding）建立分子基础。
论文主体解读：榆科（Ulmaceae sensu lato，s.l.）由 Mirbel 于 1815 年描述，包含 Ulmoideae 和 Celtidoideae 两个亚科。Ulmus 主要分布在北半球。榆树耐寒、耐旱、耐盐碱，是环境改良优良树种；其树皮、叶、果实长期用作镇静和利尿药物，木材坚硬细致，可用于家具、建筑和桥梁，树皮与根皮含黄酮类物质，韧皮部可作天然植物胶，叶可作动物饲料。叶绿体基因组的结构变异和丰富系统发育信息对解决复杂物种进化关系有价值。大多数高等植物叶绿体（chloroplast，cp）基因组具有典型四分体结构，包括大单拷贝区（large single-copy，LSC）、小单拷贝区（small single-copy，SSC）和一对反向重复区（inverted repeats，IR），该结构高度保守；由于单亲遗传、中等进化速率和易获得高质量序列，cp 基因组成为研究植物系统发育、物种界定和进化历史的可靠分子标记。先前研究分析了榆属水平叶绿体结构、系统发育和通用 DNA 条形码，但栽培 Ulmus pumila 品种的种内叶绿体变异和品种特异标记仍有空白。五个栽培品种均来自 Ulmus pumila 实生苗选择，选育于河北林业和草原科学研究院。它们共享树干直、幼树皮光滑等特征，但树冠形状、枝条延伸方向、1 年生枝颜色、叶大小和质地、幼树皮色等形态诊断性状存在差异。品种形态高度相似，传统形态鉴定易混淆；通用 DNA 条形码分辨率不足，急需基于 cp 基因组的品种特异标记和种质溯源工具。研究人员因此对五个品种进行测序、组装和注释，并与近缘种比较、构建系统发育树，以深化 Ulmaceae 进化理解。
关键技术与方法概括（不超过 250 字）：五个 Ulmus 栽培品种“Yangguang Nanhai”、“Yangguang Nühai”、“Xu Ri”、“Yang Gang”和“Zhao Yang”（材料与方法中第五个记为“Chao Yang”）采自中国石家庄河北省林业和草原科学研究院（114°28′12″E，38°08′23″N），2025 年 5 月叶片液氮保存。NCBI 下载 17 个其他 Ulmus cp 基因组；系统发育用 28 个物种，包括 25 个 Ulmaceae，选 Morus、Celtis 等 6 个近缘属为外群。测序用 Illumina NovaSeq 6000 短读和 PacBio Sequel II 长读；GetOrganelle、BLASR、GeSeq、OGDRAW 组装注释；cusp（EMBOSS v6.6.0.0）、TBtools、CodonW 分析密码子；REPuter、MISA、Primer3 分析重复和引物；mVISTA、DnaSP v5.10、IRscope 比较；MAFFT、trimAL、PhyML v3.0、KaKs_Calculator、Mauve 做系统发育、Ka/Ks 和共线性。
3.1 叶绿体基因组结构与基因含量：研究人员对五个品种 cp 基因组测序、组装和注释，发现全长 159,391–159,769 bp，GC 含量 35.47%–35.56%。均呈典型环状四分体结构：LSC 87,972–88,352 bp，SSC 18,759–18,841 bp，IRa 和 IRb 26,288–26,330 bp。共注释 131–133 个基因，包括 86–89 个蛋白编码基因、36–37 个 tRNA 和 8 个 rRNA；“Yangguang Nanhai”131 个，“Yang Gang”132 个，“Yangguang Nühai”、“Xu Ri”和“Zhao Yang”各 133 个。基因数种内变化主要因 LSC 区一个 tRNA 基因假基因化或部分缺失。16 个基因含内含子，14 个含 1 个内含子（如 rps16、atpF），2 个含 2 个内含子（clpP、ycf3），与其他 Ulmus 一致。与 NCBI 其他 Ulmus accession 比较，五个品种保留保守四分体结构，但在基因组大小、IR 边界移动和基因含量上有明显种内结构变异；形态诊断性状如冠形、叶色、生长等有差异，这些基因组变异可能与不同品种形态性状相关。
3.2 SSR 和长重复序列：对六个 Ulmus pumila（五个新测序加 NCBI 参考“Jinmi”）鉴定 154–164 个 SSR，Zhao Yang 159 个；类型从单核苷酸到六核苷酸，单核苷酸绝对优势，二核苷酸 AT/AT 最常见；五核苷酸 TTATT 仅 Yangguang Nühai 和 Xu Ri，TAAAG 所有六品种，六核苷酸 TGGTAG 仅 Yangguang Nühai 和 Xu Ri。SSR 数量随重复单元长度增加而减少，A/T 碱基主导。对 22 个 cp 基因组分析≥30 bp 长重复，鉴定 63（Ulmus lanceifolia）至 155（Ulmus castaneifolia、Ulmus lamellosa）个；Ulmus pumila 内 96–135 个，正向和回文重复为主；类型包括 F、R、C、P；C 重复最低 Ulmus elongata（2）最高 Ulmus lamellosa（34）；多数重复长 30–39 bp，60–69 bp 少见，≥70 bp 在 Ulmus bergmanniana（12）和 Ulmus lamellosa（11）最多。
3.3 比较基因组与核苷酸多态性：mVISTA 全局比对显示 Ulmus cp 基因组整体保守。五个品种与栽培“Jinmi”高相似，Ulmus parvifolia 和 Ulmus laciniata 也高；Ulmus glaucescens、Ulmus szechuanica、Ulmus densa、Ulmus gaussenii、Ulmus chenmoui、Ulmus lanceifolia、Ulmus bergmanniana 和 Ulmus macrocarpa 显示差异。变异位点主要在 LSC 和 SSC，非编码区变异显著高于编码区；四个 rRNA 基因 rrn23、rrn16、rrn5、rrn4.5 高度保守。Pi 分析：Ulmus pumila 种内总体 Pi<0.01，高变基因间区 trnH-GUG_psbA 和 ndhF_rpl32 高于通用条形码，可用于品种区分；种间全 cp 基因组 Pi 0–0.05，LSC 和 SSC 峰多，IR 保守；高 Pi 区域包括 trnH-GUG_psbA、trnS-GCU_trnG-UCC、rpoC1 外显子间隔区、trnT-GGU_psbD、ycf3 外显子区、ndhC_trnV-UAC、ndhF_rpl32、rpl32_trnL-UAG 和 ndhD。IR/SC 边界比较：Ulmaceae 植物总长 157,356 bp（Trema levigatum）至 160,388 bp（Ulmus lamellosa）；IRa/IRb 多 26,000–26,500 bp，Ulmus lamellosa IRb 26,507 bp、IRa 26,402 bp 略不对称。Ulmus pumila 品种 IR 边界基因仅小波动（50 bp 内），无大规模 IR 扩张收缩，属种内多态。边界基因：LSC/IRb 边界（JLB）处 rps19 靠近边界，IRb 长 184 bp（Ulmus castaneifolia）至 279 bp（多个种）；rpl2 跨 JLB 进入 IRb，长 1510 bp；SSC/IRa 边界（JSA）处 ycf1 通常跨 JSA，IR 长 3687 bp（Ulmus castaneifolia）至 4671 bp（Pteroceltis tatarinowii），SSC 长 1091 bp（Trema levigatum）至 1576 bp（Ulmus chenmoui）；ndhF 靠近 SSC/IRb 边界（JSB），SSC 长 2155 bp（Ulmus lanceifolia）至 2252 bp（Celtis sinensis）；trnH 位于 LSC/IRa 边界（JLA）LSC 侧，距边界 0 bp（Celtis sinensis）至 535 bp（Ulmus gaussenii）；psbA 长 1062 bp；rpl23 靠近 JLA，长 282 bp。种间差异反映局部扩张、收缩和结构重排；种内边界变异进化意义有限但可作辅助标记。
3.4 密码子使用偏好分析：22 个 Ulmus 分类群氨基酸编码频率高度一致。Leu 密码子使用最高，0.1042（Ulmus davidiana）至 0.1068（Ulmus pumila “Yang Gang”）；Cys 最低，0.0111（Ulmus davidiana）至 0.0117（Ulmus parvifolia）。Met 和 Trp 无同义密码子，频率稳定；其他氨基酸波动小。RSCU 高度一致，RSCU>1.00 的偏好密码子多 A/U 结尾，RSCU<1.00 多 G/C 结尾，反映 A/U 结尾偏好。ENC 在 20–60 标准范围，集中中高，整体密码子使用偏好弱；一致性确认 Ulmus cp 基因组编码特征保守。
3.5 系统发育与共线性分析：基于 28 个 Ulmaceae 完整 cp 基因组，最大似然法（maximum likelihood，ML）和贝叶斯推断（Bayesian inference，BI）构建系统发育树，Morus、Celtis 等 6 个近缘属为外群，拓扑高度一致。所有 Ulmus 分三主支：Ulmus elongata 位于基部，可能早期分化；Ulmus parvifolia、Ulmus lanceifolia、Ulmus chenmoui 聚为一支，亲缘近；另一支包括 Ulmus davidiana、Ulmus laciniata、Ulmus macrocarpa 等叶形态相似种。五个 Ulmus pumila 品种紧密聚在 Ulmus pumila 支，与其他 Ulmus 种明显分开，表明共享高度一致母系遗传背景，来自 Ulmus pumila，与野生种质仅细微分化。Ka/Ks：22 个 Ulmus 共享蛋白编码基因非同义替换率（non-synonymous substitution rate，Ka）和同义替换率（synonymous substitution rate，Ks）为 0–0.05，Ks 总体高于 Ka，Ka/Ks<1，强纯化选择，无快速适应进化信号，符合被子植物 cp 基因组特征。共线性：大部分区域连续密集同源连接，光合和能量代谢核心功能基因簇高度保守；少数局部排列差异可能由基因倒位或微缺失导致。
讨论部分总结：讨论强调 Ulmus pumila 广泛栽培、生态经济价值重要，品种资源丰富但种内质体变异较少系统表征。其典型四分体与高等植物保守特征及其他 Ulmus 报道一致；GC 稳定、基因数 131–133，核心光合基因和胁迫相关基因高度保守，保障光合效率和生长稳定；复杂农艺性状主要核基因调控，cp 基因组提供基础代谢支持。先前 Ulmus cp 研究主要属间和属水平，本研究扩展到品种水平，首次报道五个品种完整 cp 基因组，扩大栽培榆种质基因组资源；表征种内质体变异，包括基因含量、重复多态和高变区，提供更细尺度信息；评估 cp 标记品种认证效用，提供种质管理和品种保护分子工具。密码子偏好中 Leu 最高、Cys 最低，RSCU 偏好 A/U 结尾，31 个偏好密码子多 A/U 结尾，ENC 中高，弱偏好，强纯化选择，随机漂变影响弱。SSR 154–164，单核苷酸 A/T 主导，长重复 63–155，30–39 bp 最常见，为分子标记开发提供资源。DNA 条形码中 matK+rbcL 广泛但单片段分辨率有限，多片段或高变单基因受关注；Pi 高变 trnH-GUG_psbA 和 ndhF_rpl32 显著高于通用条形码，主要位于 LSC/SSC 非编码区，环境选择敏感、进化快；ycf1 高 Pi 0.035，且 IR/SSC 边界长度变异，支持其作为低分类水平核心条形码潜力。因 cp 基因组母系遗传，高变标记仅反映母系分化，不足以检测核杂交或渐渗，建议作为种质纯度检测和母系溯源补充工具，结合核标记（genomic SSRs、SNPs）全面鉴定杂交品种。IR 区最保守，维持结构稳定和必需基因；IR/SC 边界基因 rps19、ycf1、ndhF 种间差异显著，ycf1 在五个品种中跨 JSA 且长度变化，反映 IR 扩张收缩；品种间仅小边界波动，可能为种内多态，可辅助品种区分。ML/BI 拓扑一致，五个品种单系稳定，与野生 Ulmus 明显分化，人工选择育种形成遗传分化；支持 Ulmus 单系，与先前一致。Ka/Ks<1，强纯化选择，功能保守，确保系统发育可靠性。五个品种耐逆，适用于干旱盐碱生态恢复和农林复合系统；形态诊断包括冠形、叶色、生长率等；品种特异叶绿体变异包括特定 SSR 位点和高变区单倍型，提供对应形态的分子标记，可独立于生长期准确识别品种；SSR 标记可用于品种认证和遗传连锁图谱构建，促进育种；cp 基因组资源为种质评价、母系谱系分析和分子辅助育种奠基，为 Ulmus 进化研究提供参考。
结论翻译：在本研究中，研究人员新组装并注释了五个 Ulmus pumila 栽培品种的完整叶绿体基因组，并与 NCBI 公开可用的 Ulmus pumila 种质进行了种内比较分析。这些基因组呈现典型的保守四分体结构，在分类群间长度、GC 含量、基因组成和密码子使用模式上具有一致特征。研究鉴定出包括 trnH-GUG_psbA 和 ndhF_rpl32 在内的高变区，作为 Ulmus 物种鉴定的潜在分子标记。系统发育分析支持 Ulmus 为单系群，五个栽培品种聚为独立支。研究人员的发现丰富了 Ulmus 基因组资源，并为其种质认证和遗传育种提供了坚实的分子基础。
