中国贵州喀斯特高原19种石龙参属（苦苣苔科）物种的比较与系统基因组分析：包含13个新组装的叶绿体基因组

《BMC Plant Biology》：Comparative and phylogenomic analyses of 19 Petrocodon (Gesneriaceae) species from the Guizhou karst plateau, China, featuring 13 newly assembled chloroplast genomes

　　

摘要

背景

中国西南喀斯特地貌的"陆生岛屿"效应驱动了植物多样化，其中石灰岩苣苔属（苦苣苔科）是高度特化的代表类群。频繁的类群修订与严重的形态趋同进化使其属内系统发育关系模糊不清。鉴于传统标记对辐射分化类群分辨力较低，且贵州喀斯特高原的分子数据匮乏，我们分析了19个石灰岩苣苔属完整叶绿体基因组（质体基因组），以表征基因组结构、厘清种间关系并鉴定高变候选标记。

结果

我们新组装了13个质体基因组，并与6个重新注释的公共序列进行比较分析。其长度范围为152,378至153,621 bp，所有质体基因组均呈现典型的四分体结构，含有131–132个功能基因。它们表现出显著的A/T偏好，偏好密码子（相对同义密码子使用频率，RSCU > 1）强烈以A/U结尾。滑动窗口分析基于核苷酸多样性（Pi）鉴定了12个高度变异区域作为突变热点，其中ycf1和ndhF-rpl32表现出最高的核苷酸多样性，是最具信息量的候选标记。选择压力分析表明，尽管整体以强烈的纯化选择为背景，但ndhK和atpF基因表现出较高的进化速率，表明纯化选择有所放松。系统发育基因组学分析有力支持了石灰岩苣苔属的单系性，在当前采样范围内划定了三个地理相关的类群（类群I–III）。值得注意的是，类群I表现出显著的地理地方性。在类群III中，拓扑冲突、极短的分支长度以及近缘种中变种的非单系性表明，极短内部分支的复杂历史与快速多样化相一致。

结论

本研究揭示所采样石灰岩苣苔属物种间具有高度保守的质体基因组结构。虽然主要反映祖先中性突变压力，但显著的A/T偏好可能在氮贫瘠生境中附带带来代谢优势。同时，ndhK和atpF的加速进化暗示了对极端环境的光保护优化的潜在趋势。我们的基础系统发育树与类群分布一致，与喀斯特生境隔离促进所采样类群物种形成的假说相吻合。广泛的形态同塑性暴露了传统分类学的局限性。因此，我们的全质体基因组数据强有力地支持了所采样石灰岩苣苔属的单系性与系统发育关系，包括前属（Calcareoboea、Tengia）。这些资源和候选标记有助于阐明辐射机制和保护喀斯特生物多样性。