基于三套植物基因组数据构建的单雌亚属菟丝子（Cuscuta subgenus Monogynella）高解析度系统发育树

《American Journal of Botany》：A well-resolved phylogeny of Cuscuta subgenus Monogynella based on data drawn from all three plant genomes

　　

摘要专业翻译 摘要 前提： Cuscuta（菟丝子属）包含约200个物种，划分为四个亚属（Monogynella、Cuscuta、Pachystigma和Grammica），是旋花科（Convolvulaceae，牵牛花科）中唯一的寄生属。该类群在质体功能方面表现出显著的多样性，是寄生植物中罕见的混合营养（mixotrophic）系统代表。除在广尺度系统发育中作为少量占位类群外，亚属Monogynella直到最近一项分子系统学研究才被广泛考察。尽管已有上述努力，仍有少数谱系的分辨率较低，且部分主干亲缘关系缺乏支持。 方法： 为获得更高的系统发育分辨率和支持度，同时研究半寄生对不同细胞器基因组的影响，研究人员选取了31份样本（旨在代表各支系的系统发育多样性），采用高通量测序技术进行测序。研究人员组装了质体基因组（plastome），并获取了线粒体基因和核糖体DNA阵列（nuclear ribosomal arrays，NRAs）用于系统发育基因组学分析。 结果： 该亚属的质体基因组在长度和基因组成上相似，并保留了大部分光合作用相关基因。从组装结果中恢复了约33个线粒体基因，与质体基因相比更为保守。此外，完整的NRAs也被发现保持良好。亚属Monogynella的成员未显示杂交证据。基于三套数据矩阵获得的系统发育树均证实了先前发表的分子系统发育结果，且分辨率和主干支持度全面显著提升。 结论： 这些结果刻画了亚属Monogynella细胞器基因组（尤其是质体基因组）的状态，填补了Cuscuta研究领域的空白，并使研究人员能够将这些模式与其他异养谱系进行比较。

论文解读

一、研究背景与科学问题

菟丝子属（Cuscuta）是旋花科中唯一的寄生植物类群，约含200个物种，划分为四个亚属。该属是研究寄生植物营养方式转变（trophic shift）的重要模式类群，其成员在寄生程度和光合能力上呈现显著差异。在寄生植物中，光合作用的减弱或丧失通常伴随着质体基因组（plastome）的快速进化，包括基因丢失、结构重排和进化速率加快等现象，这一系列变化被称为寄生性退化综合征（parasitic reduction syndrome）。

在菟丝子属四个亚属中，亚属Monogynella是唯一保留较强光合能力的类群，其成员在营养生长阶段的光合活性几乎可与自养近缘属甘薯属（Ipomoea）相媲美，属于半寄生（hemiparasitic）状态。然而，该亚属在分子系统学研究中长期被忽视：此前广尺度系统发育研究中仅涉及约15个物种中的4至5个，且2024年发表的首个分子系统学研究中仍有部分支系分辨率不足、主干节点缺乏支持。此外，该亚属此前仅有3个质体基因组被报道（C. exaltata、C. japonica和C. reflexa），线粒体基因组仅有一个（C. japonica），细胞器基因组的进化速率和模式在很大程度上仍属未知。

因此，开展本研究旨在实现三个目标：第一，构建具有强支持主干的高解析度系统发育树；第二，利用全基因组序列数据探究半寄生对质体基因组的影响；第三，通过比较三套基因组来源的系统发育树检测杂交事件。

二、研究内容与主要结论

研究人员选取了代表亚属Monogynella全部12个已确认物种的31份样本（另有3个物种因无法获得标本而未纳入：C. lophosepala、C. macrolepis和C. pamirica），采用基因组浅测序（genome-skimming）策略进行高通量测序，从头组装了全部质体基因组，并恢复了线粒体基因和核糖体DNA阵列（NRA）。基于三套独立数据矩阵和一套联合矩阵（线粒体+NRA）构建了最大似然系统发育树。

研究得出以下主要结论：亚属Monogynella的质体基因组长度约105至125 kbp，约为自养近缘种Distimake tuberosus（约154 kbp）的68%至80%，在菟丝子属中长度最长，保留了其他亚属共同祖先中已丢失的多种序列。基因组成方面，该亚属包含65个蛋白质编码基因、28或29个tRNA和4个rRNA基因，保留了大部分光合作用相关基因，但与其他菟丝子一样丢失了全部ndh基因（仅部分物种保留ndhB和ndhD假基因）。结构方面，所有物种均确认存在两个倒位（SSC区2 kb倒位和LSC区13 kb倒位），支系C特有第三个2.6 kb LSC区倒位；C. gigantea和C. violacea两个姐妹种丢失了反向重复区（IR），C. cassytoides则出现IR扩张。线粒体基因约33个，较为保守，未发现水平基因转移证据。系统发育分析在所有数据集中均获得了高分辨率和高支持度的拓扑结构，与先前分子系统学研究高度一致，仅发现一处显著拓扑冲突：支系F（含C. engelmannii和C. lupuliformis）在质体系统发育中与支系G为姐妹群，而在线粒体和核数据中则与支系D为姐妹群，经SH检验和AU检验确认两者差异显著，但被认为是简单的拓扑扭曲而非网状进化（reticulate evolution）证据。选择压力分析显示，光合作用重要基因（如psaA、psbA、petD、ccsA、atpB、rbcL）在全部类群中均受强烈纯化选择，但未发现半寄生的Monogynella亚属比其他隐光合亚属受到更强选择压力的证据。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：基因组浅测序策略（genome-skimming approach）配合高通量测序平台（DNBSeq，2×150 bp双端测序）；使用GetOrganelle软件进行质体基因组、线粒体基因和核糖体DNA阵列的从头组装；利用Geneious进行序列比对、注释和人工拼接；采用ModelFinder确定最佳进化模型，使用RAxML进行最大似然系统发育分析（1000次快速自举检验）；使用IQ-TREE进行SH检验和AU检验以比较竞争拓扑；利用PREPACT预测RNA编辑位点；基于R语言的APE包计算成对dN/dS比值（ω）评估选择压力。样本来源涵盖12个物种共31份材料，产地包括塔吉克斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、阿富汗、中国、越南、南非和美国等，凭证标本存放于LE、NY、PRE、NU、UA、TRTE、AA等标本馆。

四、研究结果

质体基因组结构： 所有样本均成功组装出闭合的质体基因组，长度约105至125 kbp。多数物种保留典型的四部分结构（两个IR区、SSC区和LSC区），但C. gigantea和C. violacea丢失了IRA，导致基因组缩短但基因含量未受影响。C. cassytoides的IR扩张导致rpl2和rpl23假基因从LSC区移入IR区，产生两个功能拷贝。所有物种均确认存在两个共有倒位，支系C特有第三个倒位。

线粒体基因组和核糖体DNA阵列恢复： 从组装结果中恢复了约33个线粒体蛋白质编码基因，未发现基因大规模丢失或含量变异，也未检测到水平基因转移。NRAs在所有样本中均成功恢复，18S、5.8S和26S核糖体RNA编码区高度保守。

系统发育分析： 质体数据（69,078 bp比对长度）和联合数据（线粒体+NRA，38,971 bp）均产生完全解析且主干强支持的拓扑结构。亚属Monogynella被确认为菟丝子属其余类群的姐妹群。亚属内解析出7个主要支系（A–G），与先前研究一致。唯一例外是支系F的位置冲突：质体数据支持其与支系G为姐妹群（100%支持），而线粒体、核及联合数据支持其与支系D为姐妹群（96%支持），拓扑检验确认两者显著不同。

选择分析： 成对dN/dS分析显示，光合作用核心基因（psaA、psbA、petD、ccsA、atpB、rbcL）在所有类群中均受强纯化选择；部分光合基因（psbH、petL）和核糖体蛋白基因（rpl20、rps8）表现出种间变异的ω值；matK基因在保留该基因的三个亚属中均受较弱纯化选择；必需基因accD和clpP分别表现出变异和中性选择。

五、讨论与结论

讨论部分主要围绕三个方面展开。在系统发育与生物地理学意义方面，研究证实了C. reflexa的复系（paraphyletic）性质（包含四个独立谱系），支持了C. exaltata的分布格局源于从中亚到北美的古老长距离扩散（long-distance dispersal）而非vicariance（隔离分化）事件的假说。在质体基因组特征方面，确认了IR丢失在C. gigantea和C. violacea共同祖先中发生，以及IRB-LSC连接点位于ycf2基因内等结构特征。在杂交检测方面，核系统发育与线粒体系统发育完全一致，与质体系统发育仅存在一处简单拓扑扭曲，结合此前研究结果，表明杂交可能并非亚属Monogynella物种形成的关键机制。

研究结论可翻译为：研究结果进一步揭示了对Monogynella亚属质体基因组进化的认识，这是完整考察菟丝子属质体进化速率所需的最后一块拼图。该亚属物种的质体含量和结构高度一致，保留了大部分光合作用基因，仅有少数特异的（idiosyncratic）变化。菟丝子属的质体进化展现出渐变进化的诸多要素，但已被证明主要以点断平衡（punctuated）模式进行。四个亚属中有三个被证明在菟丝子属共同祖先已观察到的基因丢失基础上累积了额外丢失。相比之下，Monogynella亚属的质体基因组未经历剧烈的基因丢失，呈现停滞状态（stasis），与其光合活性和半寄生营养状态相符。该组成员也未显示线粒体水平基因转移案例，且无明显的杂交证据。