Lavandula angustifolia与Lavandula × intermedia六份叶绿体基因组的组装、变异及系统发育关系

《International Journal of Molecular Sciences》：Chloroplast Genome Variation and Phylogenetic Relationships of Lavandula angustifolia and Lavandula × intermedia

　　

植物叶绿体基因组（chloroplast genome）具有高度保守性和组织描述清晰的特点，使其成为分析进化动态和构建系统发育假说的便利基础。在本研究中，研究人员对薰衣草属（Lavandula）6个叶绿体基因组进行了从头组装和完整注释：4份L. angustifolia材料和2份Lavandula × intermedia杂交样本。组装基因组大小为151,431–151,480 bp，与预期叶绿体基因组组织结构一致，并表明该属内具有高度结构稳定性。所有6个基因组均呈现被子植物叶绿体基因组典型的四分体结构，包括大单拷贝（LSC）区82,682–82,837 bp、小单拷贝（SSC）区17,579–17,580 bp，以及两个反向重复（IRa和IRb）区各25,532–25,586 bp。它们共包含113个基因，包括79个蛋白编码基因、30个转运RNA（tRNA）基因和4个核糖体RNA（rRNA）基因。核苷酸多样性分析揭示了若干可变基因间区，可作为潜在候选分子标记。每个样本具有56–57个简单重复序列（SSR）位点，且不均匀分布于全基因组。基于全叶绿体基因组比对的系统发育分析确认了新组装Lavandula序列在唇形科（Lamiaceae）中的位置。本研究获得的6个叶绿体基因组为薰衣草属未来比较基因组学、系统发育和种群水平研究提供了稳健的参考集。

研究背景与问题：Lavandula angustifolia（lavender）是重要的芳香和药用植物，其精油广泛用于药理学、化妆品和食品工业；精油化学组成以单萜类为主，主要成分包括linalool、linalyl acetate、borneol和camphor，相对丰度受地理来源和品种遗传特性影响。长期栽培中已筛选出许多地方品种和商业品种；除纯L. angustifolia外，lavandin（Lavandula × intermedia）杂交种也广泛用于精油生产，但其分子身份和关系研究不足。薰衣草属分子遗传基础长期欠发达，核基因组发布虽揭示与萜类生物合成相关的基因重复，但系统发育和群体研究仍需叶绿体基因组（chloroplast genome）。被子植物叶绿体基因组紧凑、具保守四分体结构且主要母系遗传，适合追溯质体进化谱系；matK、rbcL、psbA-trnH、trnL-trnF等短条形码对近缘品种分辨率不足，完整叶绿体基因组分辨率更高，已在葡萄、枣椰、水稻和番茄等品种起源研究中应用，而Lavandula仍缺乏比较叶绿体基因组研究，尤其缺乏对商业栽培地方品种与杂交种的比较，限制精细进化分析和可靠候选标记开发。因此，研究人员对4份L. angustifolia（‘Hidcote’、‘Rosea’、‘Sineva’、‘Stepnaya’）和2份Lavandula × intermedia（‘Lavandin’、‘Lavandin Grosso’）开展研究，目标包括组装注释、SSR与长重复比较、核苷酸多样性和密码子使用分析，以及基于全叶绿体基因组比对的系统发育重建。研究获得6个完整叶绿体基因组，显示高度结构稳定性、113个基因、若干变异热点和保守SSR谱，并将Lavandula定位为唇形科（Lamiaceae）Nepetoideae单系，杂交材料邻近L. angustifolia；该数据集扩充了Lavandula参考叶绿体基因组集合，为群体遗传学、谱系地理学和DNA分子鉴定提供基础。

关键技术方法：样本采自俄罗斯克拉斯诺达尔边疆区新罗西斯克A-290公路26 km的“Maison Des Plantes Aromatiques”商业薰衣草种植园（44°42′ N，37°46′ E），2024年花期采集，凭证NRCKI-LAV-01至NRCKI-LAV-06保存于National Research Center “Kurchatov Institute”。研究人员以全基因组鸟枪数据从头组装和注释6个叶绿体基因组，并开展比较基因组、边界、核苷酸多样性、SSR与长重复、RSCU及K_a/K_s分析；系统发育采用全叶绿体基因组比对的ML和BI，并比较拓扑一致性。

2.1 组装与叶绿体基因组总体特征：从头组装获得6个完整叶绿体基因组，大小151,431–151,480 bp，最大差异49 bp；均具典型四分体结构，LSC（大单拷贝区，large single-copy region）82,682–82,837 bp、SSC（小单拷贝区，small single-copy region）17,579–17,580 bp、IRa/IRb（反向重复区，inverted repeat）各25,532–25,586 bp；GC含量37.7%–37.8%；共113个基因（79个蛋白编码、30个tRNA、4个rRNA），IR重复基因包括5个蛋白编码、7个tRNA和4个rRNA；11个蛋白编码基因和8个tRNA基因含单内含子，clpP1含两个内含子；未检测到基因丢失、假基因化或主要重排，环形图显示基因顺序和转录方向保守。

2.2 结构区边界动态：通过比较LSC/IR/SSC连接，发现rps19位于LSC/IRb边界，ycf1跨IRb/SSC和SSC/IRa边界，trnH位于IRa/LSC边界；边界位置和基因距离在材料间高度保守，无主要结构重排。

2.3 序列保守性与核苷酸多样性：mVISTA以‘Hidcote’为参考显示高度共线性和序列一致性，保守区域277–282个，蛋白编码外显子最保守，基因间区偶有下降，无倒位或易位；滑窗π（核苷酸多样性，nucleotide diversity）均值为0.0001，多数窗口近零，rpoB、psbM、ndhK、ccsA和ndhD出现峰值，ndhD最高约0.0039–0.004，为需更大群体验证的候选位点。

2.4 SSR鉴定：SSR（简单重复序列，simple sequence repeat）分析显示‘Rosea’为58个位点，其余5份均为57个；单体41–43、二体5、三体3、四体7；五体仅‘Lavandin’1个；六体缺失；SSR组成稳定，不区分L. angustifolia与Lavandula × intermedia。

2.5 同义密码子使用分析：RSCU（相对同义密码子使用度，relative synonymous codon usage）分析显示6份材料密码子使用谱几乎相同，RSCU约0.36–1.9，偏向A/T结尾密码子，与叶绿体DNA AT丰富性一致；未检测到明显适应或随机变化。

2.6 K_a/K_s比值分析：对蛋白编码基因计算K_a/K_s（非同义/同义替换率比值），多数点位于K_a=K_s线下，即K_as，符合整体保守和纯化选择；rpl33和ycf2显示升高，但因材料近缘和超低K_s导致数值不稳定，原文强调仅作初步描述指标，不能作为正选择结论。

2.7 长重复鉴定：按长度≥20 bp、一致性≥80%、错配≤4、无gap、允许重叠参数鉴定正向（F）、反向（R）、互补（C）和回文（P）四类长重复；总数112–118，杂交‘Lavandin’和‘Lavandin Grosso’各118，‘Hidcote’最低112；F最多，P其次；C稳定为15（‘Lavandin’16），R为7（‘Stepnaya’8）；P最大25,586 bp，与IR相当；杂交材料F和P较高，原文提示杂交可能与长重复元件积累相关；C和R高度保守。

2.8 系统发育分析：基于全叶绿体基因组比对构建ML（最大似然法，maximum likelihood）树，BI（贝叶斯推断，Bayesian inference）树拓扑一致（RF（Robinson–Foulds距离）=0）；Lavandula为单系，位于Nepetoideae，近Salvia和Elsholtzia，与Mentha、Rosmarinus、Ocimum区分；6个新组装序列与公共L. angustifolia和Lavandula × intermedia聚在一起，杂交材料邻近L. angustifolia分支，符合L. angustifolia母系起源。

讨论部分总结：叶绿体基因组因母系遗传、结构保守和低核苷酸替换率而适用于进化生物学、系统发育基因组学和种质表征。作者将本研究与L. maroccana及其他Nepetoideae属（Salvia、Thymus、Scutellaria）比较，指出核心质体序列受纯化选择约束，但多态编码位点和边界位点可作为精细谱系地理分析和分类鉴定的候选靶点。组装基因组高度保守，边界移动最小，无基因丢失、假基因化或结构重排；尽管整体序列一致性高，π分析揭示ndhD、ccsA、rpoB、psbM和ndhK等分化热点；标准条形码matK、rbcL和trnH-psbA对近缘品种或复杂杂交材料分辨率不足，所鉴定位点需在代表性群体中实验验证。SSR谱均一，长重复在杂交材料中F和P较多，提示种间杂交后可能存在细微结构动态；叶绿体数据仅反映母系遗传，不能独立重建完整杂交事件，需双亲核基因组标记。六基因组为薰衣草基础叶绿体进化、应用育种、品种保护和产业质量控制提供基础数据集。

研究结论翻译：本研究成功组装并完整注释了Lavandula angustifolia（‘Hidcote’、‘Rosea’、‘Sineva’、‘Stepnaya’）和Lavandula × intermedia（‘Lavandin’、‘Lavandin Grosso’）的6个完整叶绿体基因组。这些新获得的叶绿体基因组显著扩充了薰衣草属的基因组资源。从根本上，它们提供了可靠的参考数据集，加深了对叶绿体基因组结构进化、种间杂种母系遗传以及唇形科内系统发育基因组关系的理解。所鉴定的分化热点和重复谱突出了主要候选区域，供后续在更大、代表性样本集上进行实验测试，以评估其在未来分子鉴定和群体遗传研究中的潜在应用。