Cynanchum hemsleyanum的完整叶绿体基因组及其系统发育分析

《Mitochondrial DNA Part B》：The complete chloroplast genome of Cynanchum hemsleyanum and its phylogenetic analysis

　　

C. hemsleyanum的叶绿体基因组大小为157,356 bp，具有四部分（quadripartite）结构，GC含量为37.99%，包含132个基因（87个蛋白质编码基因、37个tRNA基因和8个rRNA基因）。系统发育基因组学分析将其置于与C. thesioides互为姐妹类群的位置，自展支持率为100%。该资源有助于夹竹桃科（Apocynaceae）的分子鉴定、遗传多样性和进化研究。

**Cynanchum hemsleyanum叶绿体基因组研究及其系统发育意义解读**

**研究背景**
*Cynanchum hemsleyanum* (Oliv.) Liede & Khanum是夹竹桃科（Apocynaceae）鹅绒藤属（*Cynanchum*）的一种中国特有藤本植物，主要分布于陕西、四川、云南、贵州、广西、湖北和江西等地。作为一种传统中药材，其根、茎、叶可用于治疗肾虚腰痛、遗精、产后缺乳及蛇虫咬伤。然而，当前对该物种的研究仅局限于形态分类、化学成分和药理活性等方面，分子与基因组数据严重匮乏，制约了其遗传多样性评估、系统发育关系解析和种质资源利用。叶绿体基因组是植物进化与遗传研究中的稳定分子标记，适用于系统发育分析和物种鉴定。因此，研究人员对*C. hemsleyanum*的完整叶绿体基因组进行了测序和组装，旨在填补该物种的基因组空白，为其种质资源保护与利用提供支持，并为夹竹桃科内部的系统发育关系提供有价值的基因组资源。

**主要技术方法**
研究人员在中国湖北省武汉市（114°17′17″E，30°21′28″N）采集新鲜叶片，凭证标本编号whpu-2024-003，存放于武汉轻工大学生命科学与技术学院标本馆。从硅胶干燥叶片中提取总DNA，构建配对末端文库，利用Illumina NovaSeq 6000平台测序；使用GetOrganelle v.1.7.5进行从头组装，并以Bandage验证环化基因组；以*C. rostellatum*（ON_882042）为参考，用Geneious Prime v.2022.1.1进行注释，用CPGAVAS2绘制物理图谱；使用DnaSP v6.12和MAFFT v7.490进行核苷酸多样性（π）分析及多序列比对，用BMGE v1.1修剪比对结果，最后通过IQ-TREE v1.6.12构建最大似然（ML）系统发育树，自展重复1000次。

**研究结果**
**基因组组装与特征**
经质量过滤后获得966.46 Mb高质量数据（Q20=97.81%，Q30=93.85%），平均覆盖深度为1132×，最小覆盖深度519×，支持组装的可靠性。*C. hemsleyanum*叶绿体基因组全长为157,356 bp，GC含量37.99%，呈现被子植物典型的四分体结构：大单拷贝区（LSC）89,044 bp（GC 36.26%）、小单拷贝区（SSC）18,680 bp（GC 32.25%）、一对反向重复区（IR）各24,816 bp（GC 43.25%）。共注释132个基因，包括87个蛋白质编码基因、37个转运RNA（tRNA）基因和8个核糖体RNA（rRNA）基因。其中大多数分裂基因含一个内含子，而*ycf3*和*clpP*各含两个内含子。

**比较基因组分析**
将*C. hemsleyanum*与*C. thesioides*、*C. chinense*和*C. acutum* subsp. *sibiricum*的叶绿体基因组进行比较，发现基因组大小介于157,356 bp至158,615 bp之间，GC含量高度保守（37.82%–37.99%），基因组成基本一致。*C. hemsleyanum*和*C. chinense*均含132个基因，而*C. thesioides*和*C. acutum* subsp. *sibiricum*分别含131和130个基因，差异主要源于蛋白质编码基因数量的细微变化（85–87个）。所有四个基因组均共享相同的四分体结构。

**核苷酸多样性分析**
通过滑动窗口分析（窗口600 bp，步长200 bp）估计核苷酸多样性π值，鉴定出*ycf1*、*ndhI*和*ycf15*为高度变异区域（π值>0.08）。SSR分析共鉴定到87个简单重复序列（SSR）位点，其中74个为A/T富集的单核苷酸重复，这些位点可作为后续群体遗传研究的潜在分子标记。

**系统发育分析**
基于21个近缘物种的完整叶绿体基因组，以*Calotropis procera*和*Asclepias syriaca*为外群，经比对和修剪后保留了107,355个核苷酸位点，采用IQ-TREE构建ML树。系统发育结果表明，*C. hemsleyanum*与鹅绒藤属其他物种聚为一个高支持率的单系分支（100%自展支持），并与*C. thesioides*构成姐妹关系（100%自展支持）。

**讨论与结论**
*C. hemsleyanum*叶绿体基因组的四分体结构、GC含量分布和基因组成在鹅绒藤属中高度保守，这反映了叶绿体基因在光合作用和基础细胞代谢中受到强烈的功能约束。四个鹅绒藤属物种的比较显示基因组大小和IR边界仅有微小差异，*C. hemsleyanum*中略长的IR区可能提示谱系特异性的IR边界移动，这种移动常与* rps19*和*ycf1*等边界邻近基因相关，但其功能意义尚不明确。不过，该变异处于夹竹桃科已报道的范围内，说明其属于轻微的结构分化而非显著的进化差异。本研究鉴定的叶绿体SSR位点富含A/T重复，可为该物种的种群遗传学、种质鉴定和保护监测提供有价值的分子资源。系统发育结果与基于更广泛类群取样的前期研究一致，但叶绿体基因组仅代表母系遗传历史，未来仍需整合核基因组数据和更广泛的物种采样，以进一步解析鹅绒藤属内部的进化关系。总体上，本研究首次报道了*C. hemsleyanum*的完整叶绿体基因组，扩展了鹅绒藤属的基因组资源，为该药用物种后续的系统发育、分类和保护研究提供了分子证据。