《Frontiers in Plant Science》：Complete chloroplast genome of Atriplex taltalensis (Amaranthaceae), an endangered endemic species from the Chilean Atacama Desert
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背景： Atriplex taltalensis 是一种濒危的盐生植物，特有于智利阿塔卡马沙漠，目前缺乏基因组资源。完整的叶绿体基因组因其保守的结构和信息丰富的进化模式，为比较基因组学、系统发育学和保护遗传学提供了宝贵资源。本研究旨在组装并注释首个完整的 A.
背景： Atriplex taltalensis 是一种濒危的盐生植物，特有于智利阿塔卡马沙漠，目前缺乏基因组资源。完整的叶绿体基因组因其保守的结构和信息丰富的进化模式，为比较基因组学、系统发育学和保护遗传学提供了宝贵资源。本研究旨在组装并注释首个完整的 A. taltalensis 叶绿体基因组，并将其与代表性的 Atriplex 属叶绿体基因组进行比较。
结果： A. taltalensis 的完整叶绿体基因组是一个长度为150,919 bp的环状分子，具有典型的四分体结构，包括一个大单拷贝区（LSC）、一个小单拷贝区（SSC）和两个反向重复区（IR）。该叶绿体基因组编码130个基因，包括85个蛋白质编码基因、37个tRNA和8个rRNA，总GC含量为37.29%。对15个 Atriplex 叶绿体基因组的比较分析揭示了高度保守的基因组组织和基因含量，以及高度的序列相似性，而核苷酸变异集中在有限的基因间区和少数编码基因中。高变位点、简单重复序列（SSR）和长重复序列被确定为潜在的信息性分子标记候选。大多数蛋白质编码基因的Ka/Ks比值表明其受到强烈的功能约束，而在特定比较中，少数基因表现出升高的成对Ka/Ks比值。基于完整叶绿体基因组的系统发育重建恢复了 Atriplex 属内得到良好支持的叶绿体基因组关系，证明了它们在解析近缘分类群间关系方面的实用性。
结论： 本研究提供了 A. taltalensis 的首个完整叶绿体基因组序列，并为比较基因组学、系统发育组学和保护遗传学建立了宝贵的基因组资源。
研究背景与科学问题
Atriplex 属（苋科）包含约250至300种分布于全球干旱和半干旱地区的盐生植物，这些物种在维持沙漠和海岸生态系统韧性方面发挥着基础性作用，并具备耐受高盐、缺水和热胁迫的显著适应机制。然而，由于显著的形态可塑性、形态趋同以及广泛的杂交现象，该属的分类界定历来充满挑战。尽管近年来 Atriplex 属的基因组资源有所增加，但已发表的叶绿体基因组研究仍然稀少，仅有少数物种的完整基因组得到了全面表征。在智利，该属有29个物种，其中包括14个特有种。Atriplex taltalensis 是智利沿海沙漠（特别是安托法加斯塔大区塔尔塔尔地区）盐生生物多样性的关键组成部分，已被正式列为濒危物种。由于其栖息地破碎化且日益受到人为压力和气候变化的威胁，加之此前缺乏基因组资源，严重限制了对该物种自然种群的监测以及对驱动其进化过程的认知。因此，获取其参考叶绿体基因组对于开发分子标记、评估遗传多样性、确定保护单元以及制定长期保护管理策略至关重要。
研究方法概述
研究人员采集了来自智利Quebrada Cascabeles地区的 A. taltalensis 幼嫩叶片，同时从Fundación Bionostra Chile Research的种质库获取了 A. canescens、A. nummularia、A. atacamensis 和 A. undulata 样品，并从NCBI的Sequence Read Archive（SRA）获取了 A. atacamensis 和 A. deserticola 的公开数据。主要关键技术方法包括：采用差速离心法和改良CTAB法进行叶绿体DNA提取；使用MGISEQ平台进行150 bp双端测序；利用GetOrganelle软件进行叶绿体基因组组装；通过CpGAVAS2、PGA和ChloroAnno等工具进行基因注释，并使用Apollo进行人工校正；运用MISA和REPuter软件鉴定微卫星（SSR）和长重复序列；使用MUMmer4识别单核苷酸多态性（SNP）和插入缺失（InDel）；通过mVISTA进行全基因组序列比对；利用MAFFT进行多序列比对，并使用IQ-TREE基于最大似然法构建系统发育树；最后，通过滑动窗口分析和KaKs_Calculator分别计算核苷酸多样性（π）和选择压力（Ka/Ks）。
研究结果
3.1 叶绿体基因组的组装与特征描述
研究人员成功组装了 A. taltalensis 的完整叶绿体基因组，为一个150,919 bp的环状分子，具备典型的四分体结构（LSC: 83,698 bp; SSC: 18,073 bp; IR: 24,574 bp），总GC含量为37.29%。共鉴定出130个基因，包括85个蛋白质编码基因、37个tRNA和8个rRNA。相对同义密码子使用度（RSCU）分析显示，密码子使用模式高度保守，偏好以腺嘌呤（A）或尿嘧啶（U）结尾的密码子。
3.2 叶绿体基因组的结构与序列保守性
比较分析显示，所有 Atriplex 叶绿体基因组在整体架构和基因组织上高度保守。基因组大小范围为150,436 bp至152,366 bp，GC含量几乎恒定。LSC、SSC和IR区域的边界分析显示，各区域连接处的基因（如 rps19, ycf1, ndhF）位置一致，仅在IR区域长度上存在微小差异（约24.5 kb vs 约25.2 kb），这反映了IR区域的轻微扩张与收缩事件。
3.3 基因组变异
以 A. centralasiatica （ACA-1）为参考的比较分析发现，不同物种间存在大量SNP和InDel。变异主要集中在LSC区域，而IR区域变异密度较低。智利物种（包括 A. taltalensis）相对于参考基因组的SNP数量介于796到921之间，显示出中等水平的差异。
3.4 重复序列
在所有叶绿体基因组中均鉴定出SSR，其中以单核苷酸重复为主，且绝大多数为富含腺嘌呤-胸腺嘧啶（A/T）的重复基序。在总共1,030个SSR中，51.55%位于基因间隔区（IGS），29.03%位于编码序列（CDS）。长重复序列主要为正向重复和回文重复，长度多在20-40 bp之间。
3.5 核苷酸多样性（π）与高变区
核苷酸多样性在整个基因组中分布不均，大部分区域变异水平低，仅在有限区域出现峰值。总体核苷酸多样性π值为0.011751。高变异区域主要集中在少数基因间隔区和几个编码基因，如 ycf1、rpoC2 和 rpl32。系统发育信号评估显示，单个高变基因 ycf1 能够完全重现基于完整叶绿体基因组的拓扑结构，而高变基因的串联数据集也能恢复91.67%的内部分支。
3.6 系统发育关系
基于完整叶绿体基因组的系统发育树清晰地分离了 Atriplex 属的物种与外类群，且大多数节点获得了极高的支持值（SH-aLRT = 100; UFBoot = 100）。A. taltalensis 与 A. atacamensis、A. deserticola 和 A. undulata 等其他南美物种并未形成一个独立的单系分支，表明地理分布不完全反映叶绿体基因组的进化关系。
3.7 质体基因的选择压力
Ka/Ks分析表明，大多数蛋白质编码基因的Ka/Ks比值低于1，符合强功能约束下的纯化选择。少数基因如 ycf1、rpl16、rpl22、ndhA、psbH 和 psbM 在特定比较中显示出升高的Ka/Ks比值（>1），这可能指示了差异化的选择约束，但不能作为正选择的确定性证据。
讨论与结论总结
讨论部分指出，Atriplex 叶绿体基因组的高度结构保守性与苋科其他物种的特征一致，其进化主要通过核苷酸替换和InDel的逐渐积累而非大规模染色体重排。高变区集中于非编码区，这与它们承受较弱选择压力的趋势相符。ycf1 等基因的高变异率使其成为系统发育和谱系地理学研究中的理想标记。虽然发现了少数基因具有升高的Ka/Ks比值，但这需要更严谨的群体遗传学方法验证。研究强调，基于叶绿体基因组的系统发育关系仅代表母系遗传的进化历史，在 Atriplex 属中，杂交和叶绿体捕获可能导致核质不一致，未来需整合核基因组数据进行综合分析。此外，所鉴定的SSR和高变区虽具潜力，但尚未经过种群水平验证，需在更多个体和自然群体中评估其多态性和有效性。
研究结论部分翻译如下：本研究报告了 A. taltalensis 的首个完整叶绿体基因组，为这一濒危的智利特有物种提供了宝贵的基因组资源。比较分析表明，尽管 Atriplex 叶绿体基因组结构高度保守，但核苷酸变异集中在有限的编码区和基因间隔区，突出了未来分子标记开发的潜力候选区域。总之，这些发现为未来研究干旱环境中 Atriplex 物种的系统发育、谱系地理学、群体遗传学和保护奠定了坚实的基础。未来的研究若能整合核苷酸多样性与变异密度分析，并对候选基因进行功能验证，将可能进一步改进用于保护和进化研究的信息性标记的识别。
