东亚岛屿两种荚蒾（Viburnum）植物叶绿体基因组比较分析：基因组保守性、局部差异与基于质体基因组的系统发育定位

《International Journal of Molecular Sciences》：Comparative Plastome Analysis of Two Viburnum Species from East Asian Islands: Genome Conservation, Localized Divergence, and Plastome-Based Phylogenetic Placement

　　

荚蒾属（Viburnum）是木质被子植物中具有演化信息价值的谱系，但两个焦点物种的质体基因组（plastome）变异仍缺乏充分表征。本研究组装并比较了 V. suspensum 与 V. taitoense 各一份完整质体基因组，以表征基因组保守性、序列差异、密码子使用模式及基于质体基因组的系统发育位置。V. suspensum 与 V. taitoense 的完整质体基因组长度分别为158,577 bp和158,544 bp，二者均含133个注释基因，具有相同的四部分结构及相同GC含量（38.1%）。与另外52条公开可用的荚蒾属质体基因组记录比较显示，所取样记录间基因组组织高度保守，而序列差异在基因组区域间分布不均。倒位重复（inverted repeat, IR）区域较单拷贝区域更保守；对98个质体基因组的滑动窗口分析鉴定出 ndhF–rpl32 基因间区为唯一超过预设阈值的主要变异区域（最大核苷酸多样性 P_i = 0.06171）。两个焦点质体基因组表现出高度相似的密码子使用模式，共有29个偏好密码子，其中28个以A或U结尾，UUG为唯一以G结尾的偏好密码子，总体密码子偏倚较弱（有效密码子数 ENC = 50.26和50.24）。完整质体基因组系统发育分析将所取样的 V. suspensum 与 V. taitoense 质体基因组恢复为姊妹对，但该节点仅获得中等自举支持（bootstrap support, BS = 72）。这些发现为 V. suspensum 与 V. taitoense 的所取样种质提供了质体基因组层面证据，并为更广泛的群体水平和系统发育基因组学研究奠定基础。

研究背景与意义：荚蒾属（Viburnum L.，Viburnaceae）是木质被子植物多样性谱系，约160种，东亚为主要物种与系统发育多样性中心，中国有73种（45特有种），美洲为另一中心。该属具观赏、生态和药用价值，并因广泛地理分布、反复占据不同森林生物群区及繁殖与营养性状变异而成为研究植物多样化、生物地理学和性状演化的系统。基于质体、核和系统发育基因组数据的研究已建立主要演化框架，但快速分化类群及深部关系仍有未解决之处；质体基因组（plastome）兼具保守四部分架构与局部序列差异，可提供较多系统发育信息，但质体拓扑描述质体演化历史，不能自动视为物种树。V. suspensum与V. taitoense分别来自琉球群岛和台湾两个地理隔离的东亚岛屿系统，其质体基因组特征和系统发育位置尚未在统一分析框架中直接比较；地理解离可能参与谱系分化，但本研究取样未设计检验基因流或建立岛屿隔离与质体模式的因果关系。因此，研究人员组装并比较两种各一份完整质体基因组，结合Dataset I（54条）、Dataset II（98条）和Dataset III（101条），分析基因组保守性、局部序列差异、密码子使用模式及质体系统发育位置。结果支持所取样质体基因组高度保守但存在局部差异，ndhF–rpl32为唯一超过阈值的主要变异区，两焦点质体基因组为姊妹对但支持中等；研究为所取样种质提供质体基因组层面证据，并为更广泛群体水平和系统发育基因组学研究奠定基础。

关键技术方法：V. suspensum与V. taitoense新鲜叶片取自杭州植物园活体收集，原始分别来自琉球群岛和台湾，凭证标本VD021、VD022存于浙江省林业科学研究院标本馆。基因组DNA经Illumina NovaSeq 6000 PE150测序，Trimmomatic v0.39过滤，NOVOPlasty v4.3.1组装，CPGAVAS2注释并经Geneious Prime校正。Dataset I（54条：52条公开+2条新测）用于mVISTA与CPJSdraw比较；Dataset II（98条Viburnum）经MAFFT v7.463比对、DnaSP v6以100 bp窗口/25 bp步长计算P_i；Dataset III（98条Viburnum+3条Sambucus外群）经trimAl v1.2处理，ModelFinder选GTR+F+I，IQ-TREE v1.6.8构建最大似然树并5000次自举。重复序列用Vmatch，简单序列重复（SSR）用MISA，密码子参数用CodonW v1.4.2及R v4.3.2分析。

研究结果：
2.1 V. suspensum与V. taitoense的叶绿体基因组特征：通过双端测序组装，V. suspensum长158,577 bp（LSC 87,086、SSC 18,423、IR 26,534 bp），V. taitoense长158,544 bp（LSC 87,036、SSC 18,422、IR 26,543 bp），GC均38.1%；均含133个注释基因（88蛋白编码、37 tRNA、8 rRNA），基因组成相同，17个基因种在IR重复，trnM-CAU三拷贝；除rps12外15个基因含1内含子，pafI、clpP各2内含子。结论为两焦点质体基因组结构高度相似。

2.2 叶绿体基因组结构与序列差异比较：Dataset I的54条记录经mVISTA和IR/SC连接区分析，无大尺度重排，IR较LSC/SSC保守，非编码较编码差异大；长度157,433–159,015 bp；JLB处rps19均跨接，50条中32–34 bp入IRb，V. dentatum 36 bp、V. cylindricum 49 bp、两新测63 bp；JSB、JSA有ycf1 features跨接；JLA处rpl2均邻接IRa，距离90–121 bp，两新测121 bp。结论为结构保守但IR边界局部变异。

2.3 重复序列与SSR分析：Vmatch与MISA分析显示，短重复对分别为45和44个（直接19/18、回文26/26，30–64 bp），IR相关22/22，LSC 12/11，SSC 1/1，跨区10/10；SSR分别为42和41个，均单核苷酸，A/T型41/40、C/G型1/1，主要位于LSC（30/27）。结论为重复序列与SSR组成和分布高度保守。

2.4 密码子使用偏倚：RSCU、ENC、GC_3s、ENC–GC_3s、中性及PR2分析显示，密码子总数26,971/26,965，GC_3s为27.7%；29个偏好密码子中28个以A/U结尾，UUG唯一以G结尾；ENC 50.26/50.24，偏倚弱；80个有效ENC基因中51个低于期望曲线；低ENC基因为psbJ、petN、rpl36、rps8、rpl16，高ENC基因为ycf15、infA、psaC；GC₃与GC₁₂无显著相关，PR2多数基因偏离平衡，偏好T/G。结论为两质体基因组密码子使用模式高度相似。

2.5 序列差异与主要变异区：Dataset II的98条记录经滑动窗口（100 bp/25 bp）分析，多数窗口P_i低，5个窗口P_i>0.04且均位于SSC的ndhF–rpl32基因间区，最大0.06171，代表唯一主要变异区；trnK-UUU–rps16和ccsA–ndhD次高（0.03672、0.03624），未超阈值。结论为核苷酸多样性分布不均。

2.6 质体系统发育关系：Dataset III的101条记录经最大似然（ML）分析，树高分辨率，多数节点强支持；V. suspensum与V. taitoense为姊妹对，BS=72；该谱系含sect. Thyrsosma多个种，并嵌套sect. Odontotinus的V. foetidum及V. foetidum var. rectangulatum，提示与形态分类部分不一致。结论为支持两焦点密切质体关系。

讨论总结：讨论指出，所取样质体基因组结构高度保守，但IR/SC边界和若干序列区存在局部差异；基因数比较需考虑数据库注释异质性。IR较SC保守与已知模式一致，但IR边界仍可演化。ndhF–rpl32为候选信息区，但P_i升高本身不能证明突变加速、适应演化或地理隔离导致的分化。密码子相似性表明编码区组成保守；ENC–GC_3s、中性、PR2提示核苷酸组成及额外功能或演化约束共同影响，但不能确定相对贡献。质体系统发育代表质体历史而非物种树；V. foetidum及其变种嵌套于含sect. Thyrsosma类群的谱系，提示形态分类与质体系统发育部分不一致，需独立核基因证据；每种仅一个样本，不能代表种内多样性。

研究结论（译自原文结论）：所取样的 V. suspensum 与 V. taitoense 质体基因组表现出保守的基因组组织并伴有局部序列差异；长度分别为158,577 bp与158,544 bp，各含133个注释基因特征，总体GC含量均为38.1%。Dataset I的54条质体基因组记录比较显示基因组组织总体保守且IR边界构型存在变异；Dataset II的98条记录滑动窗口分析将 ndhF–rpl32 基因间区鉴定为唯一超过预设阈值的主要变异区（最大P_i=0.06171）。两个焦点质体基因组还具有相似的密码子使用特征，包括29个偏好密码子及较弱总体密码子偏倚（ENC=50.26与50.24）。基于Dataset III的质体系统发育分析将两个焦点质体基因组恢复为姊妹对，具中等自举支持（BS=72），为密切的质体关系提供初步证据，但未建立物种级姊妹关系。总体而言，这些结果在明确取样框架内表征了质体基因组保守性、局部序列差异、密码子使用及基于质体基因组的系统发育位置。更广泛的群体水平取样和核基因组证据将用于评估种内多样性、地理分化和物种级关系。