《BMC Plant Biology》：Evolutionary dynamics of the chloroplast genome in Abutilon (Malvoideae, Malvaceae)
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摘要：苘麻属（Abutilon Mill.，锦葵科Malvaceae）包含约178个物种，分布于全球热带和亚热带地区，其中许多物种具有重要的观赏、经济和药用价值；然而其分类学划分仍面临挑战。本研究从标本馆标本中测序了6个物种，并利用公开可用的原始数据从头组装了
摘要：苘麻属（Abutilon Mill.，锦葵科Malvaceae）包含约178个物种，分布于全球热带和亚热带地区，其中许多物种具有重要的观赏、经济和药用价值；然而其分类学划分仍面临挑战。本研究从标本馆标本中测序了6个物种，并利用公开可用的原始数据从头组装了另外10个物种的叶绿体（cp.）基因组。此外还整合了3个先前报道的叶绿体基因组，以表征叶绿体基因组结构、鉴定多态性位点并进行系统发育分析。叶绿体基因组长度为159,458至160,454 bp，呈现典型的四分体结构，每个基因组包含112个独特基因（78个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因），其内容和组织均高度保守。这些基因组在GC含量、反向重复序列边界、相对同义密码子使用、氨基酸频率和替代模式方面表现出高度相似性。然而，简单序列重复序列的总数存在显著变异，每个基因组范围为70至97个。选择分析表明以纯化选择为主导，并在rpoC2、rbcL和ycf1中检测到间歇性正选择的证据。rbcL中的两个密码子具有进化枝特异性，提供了区分澳大利亚和旧世界泛热带物种的系统发育信号。核苷酸多样性分析鉴定出6个高度多态的基因间隔区（trnH-psbA、rps19-rpl2、psbT-pbf1、psaC-ndhD、trnR-atpA和ndhJ-ndhK），这些区域可能适用于分类学研究。基于最大似然法（ML）和贝叶斯推断（BI）的系统发育分析解析出两个主要进化枝：一个为主要分布于干旱和半干旱环境的澳大利亚特有谱系，另一个为跨越多个大陆的泛热带谱系。在ML和BI分析中，大叶苘麻（Abutilon grandifolium）均被恢复为其余被采样苘麻属类群的姊妹群，尽管在更广泛的类群采样和核基因组数据整合之前，无法从该位置推断生物地理学起源。这些发现为苘麻属叶绿体基因组的进化动态提供了见解，并为完善苘麻属分类学提供了基础基因组框架。
苘麻属叶绿体基因组进化动态研究解读
**研究背景**
苘麻属（Abutilon Mill.）隶属于锦葵科（Malvaceae）锦葵亚科（Malvoideae）锦葵族（Malveae），包含约178个物种，广泛分布于全球热带和亚热带地区，在美洲、澳大利亚、非洲和亚洲均有分布，具有显著的生态适应广度。该属多种植物具有重要的观赏、经济和药用价值，部分物种是重要的纤维来源或传统药物成分。然而，苘麻属的分类学划分长期存在困难。基于核ITS和叶绿体标记（如matK、ndhF）的分子系统发育研究虽将苘麻属置于锦葵族内，但提示该属可能为并系类群，部分物种与Bakeridesia、Gaya或Pseudabutilon等属的关系更为密切。此外，苘麻属完整的叶绿体基因组研究此前仅有3个物种被报道（Abutilon theophrasti Medik.、Abutilon fruticosum Guill. & Perr.和Abutilon indicum (L.) Sweet），严重限制了比较基因组学和进化分析的深入开展。为此，研究人员开展了本研究，旨在表征苘麻属叶绿体基因组结构与序列分化，利用全质体组数据重建系统发育关系，并鉴定具有DNA条形码和物种界定潜力的可变位点。该研究为完善苘麻属分类学、制定保护策略及可持续利用这一具有经济和药用价值的重要属提供了基因组学基础。论文发表在《BMC Plant Biology》。
**主要技术方法**
研究人员从芬兰自然历史博物馆（LUOMUS）标本馆获取6个苘麻属物种的叶片材料并提取DNA，于Illumina NovaSeq 6000平台进行二代测序；另从NCBI SRA数据库获取10个物种的原始测序数据，利用GetOrganelle v1.7.5.1进行从头组装，以GeSeq v2.03和PGA v1进行注释，并与已发表的锦葵科基因组（A. theophrasti、Hibiscus rosa-sinensis、Malva parviflora）交叉验证。3个物种的叶绿体基因组直接从NCBI下载，共19个物种纳入比较分析。系统发育分析采用IQ-TREE v.3最大似然法和MrBayes v3.2.7贝叶斯推断，基于78个蛋白质编码基因的串联矩阵（67,575个核苷酸位点）。
**研究结果**
**基因组测序与从头组装：**6个新测序物种（A. abutiloides、A. longicuspe、A. hirtum、A. grandifolium、A. geranioides、A. angulatum）的数据量为5.24–17.40 GB，测序深度99×–519×，叶绿体reads回收充分；10个自NCBI获取的数据集覆盖深度38×–143×，均足以实现可靠的从头组装。
**叶绿体基因组特征的比较分析：**19个苘麻属物种的叶绿体基因组长度为159,458–160,454 bp（A. geranioides最短，A. hirtum最长），均呈现典型的四分体结构，大单拷贝区（LSC）为88,035–89,125 bp，小单拷贝区（SSC）为19,906–20,204 bp，反向重复区（IR）为25,588–25,663 bp。GC含量高度一致（36.89%–37.08%），IR区最高（42.85%–42.96%）。每个基因组包含112个独特基因（78个蛋白质编码基因、30个tRNA基因、4个rRNA基因），基因内容和内含子位置高度保守，Mauve共线性分析未检测到大的结构重排或倒位。
**反向重复序列的收缩与扩张：**四个连接位点（JLB、JSB、JSA、JLA）在19个物种中高度保守。rps19基因从IRb延伸至LSC区，ycf1基因从IRb延伸至SSC区，ndhF基因完全位于SSC区且距JSB 29–97 bp，trnH-GUG位于LSC区且距JLA 3–6 bp，仅存在微小的边界差异。
**密码子使用、氨基酸频率、重复序列与替代：**相对同义密码子使用（RSCU）分析显示密码子偏好A/T末端；亮氨酸（10.58%–10.62%）为最丰富的氨基酸，半胱氨酸（1.12%–1.14%）最少。简单序列重复序列（SSR）分析显示单核苷酸重复最为丰富（每基因组51–70个），多分布于基因间隔区（46–67个）。单核苷酸多态性（SNP）分析显示转换/颠换比值（Ts/Tv）为0.84–1.03，A?G和C?T转换为最常见的替代类型。
**蛋白质编码基因的选择分析：**BUSTED分析在78个基因中检出rpoC2（p<0.0001）和rbcL（p=0.0137）存在基因水平的间歇性正选择，其余97.5%的基因（76/78）未检测到显著的正选择信号。MEME分析在rbcL密码子13检测到显著的正选择信号（p=0.0265），对应甘氨酸（G）到苯丙氨酸（F）的氨基酸替代：澳大利亚进化枝物种编码甘氨酸，泛热带进化枝物种编码苯丙氨酸，该替代与本研究恢复的主要系统发育类群相关联。ycf1的密码子874（Thr→Leu）和1013（Leu→Phe）显示出暗示性的选择信号（p<0.1）。
**核苷酸多样性分析：**平均核苷酸多样性（π）为0.0047，基因间隔区最高（π=0.0067），其次为内含子（π=0.0044）和编码区（π=0.0015）。鉴定出6个高度多态位点：rps19-rpl2（π=0.04107）、trnH-psbA（π=0.0393）、ndhJ-ndhK（π=0.0336）、psbT-pbf1（π=0.0284）、psaC-ndhD（π=0.0249）和trnR-atpA（π=0.02300）。编码区中matK（π=0.0069）、ccsA（π=0.0051）、ycf1（π=0.0046）、rbcL（π=0.0045）和ndhF（π=0.0039）多样性相对较高。
**系统发育分析：**基于78个蛋白质编码基因的ML和BI分析均支持锦葵亚科三个族（Malveae、Gossypieae、Hibisceae）的各自单系性，但族间骨架关系的支持度较弱（Gossypieae在ML中为Malveae的姊妹群，bootstrap=46%；在BI中为Hibisceae的姊妹群，PP=0.58），表明族级关系尚无法确定。苘麻属内部形成两个支持良好的主要进化枝：进化枝A（bootstrap=100%；PP=1.00）为澳大利亚特有谱系，主要分布于干旱和半干旱地区，涵盖西澳大利亚等沙漠或干旱灌丛生物群系；进化枝B（bootstrap=100%；PP=1.00）为泛热带谱系，跨越亚洲、非洲、太平洋和美洲。A. theophrasti在进化枝B中占据最早分化的位置，A. fruticosum与A. hirtum为姊妹对（bootstrap=100%；PP=1.00）。大叶苘麻（A. grandifolium）在ML和BI分析中均以强支持（bootstrap=100%；PP=1.00）被恢复为其余被采样苘麻属类群的姊妹群。基于cpSSR重复数变异的邻接（NJ）树与基于蛋白质编码基因的系统发育树拓扑一致性有限，cpSSR未能一致恢复进化枝A和进化枝B，表明其高突变率和趋同进化（homoplasy）限制了其在属内种间关系解析中的应用。
**讨论与结论**
研究人员指出，苘麻属叶绿体基因组在基因含量、基因长度和核苷酸组成上高度保守，未发现大片段结构重排，这与锦葵科其他类群的报道一致。绝大多数蛋白质编码基因受强纯化选择约束，适应性进化仅局限于少数基因和个别密码子。rbcL密码子13的甘氨酸→苯丙氨酸替代涉及从极性小残基到疏水芳香族残基的显著生化变化，可能影响RuBisCO大亚基的构象柔性和局部蛋白质稳定性，该信号与泛热带-澳大利亚干旱谱系的分化在时间上一致，推测可能与干旱、极端温度和光照强度等生态选择压力有关，但缺乏实验验证。ycf1中检测到的暗示性选择位点也与叶绿体维持和胁迫响应功能相一致。研究鉴定出的6个高多态基因间隔区与锦葵科其他属（如Hibiscus、Triumfetta、Firmiana、Theobroma）报道的多态热点部分重叠（如trnH-psbA、trnR-atpA、ycf1等），可作为苘麻属物种界定和DNA条形码研究的候选分子标记。尽管叶绿体基因组数据解析了苘麻属内两个主要进化枝，但澳大利亚亚枝内部分关系仅获较弱支持（bootstrap=36%–52%；PP=0.67），且cpSSR树与编码基因树不一致，凸显了单一基因组数据在解析近期辐射进化中的局限性。未来需整合基于双亲遗传的核基因组或转录组数据，结合更广泛的类群采样，以阐明苘麻属的地理起源、多样化历史以及可能的杂交事件。
**结论：**对19个苘麻属叶绿体基因组的分析揭示了尽管地理分布广泛，其基因组结构高度保守且变异极小。鉴定的多态性位点为群体遗传学和条形码研究提供了有价值的分子标记。基于叶绿体基因组数据的ML和BI系统发育分析均在被采样的苘麻属类群中恢复了两个主要进化枝：一个为主要分布于干旱和半干旱环境的澳大利亚谱系，另一个为泛热带谱系。然而，这些进化枝内部的若干关系仅获得较弱支持，表明仅靠叶绿体基因组数据在解析近期进化分化方面存在局限性。尽管大叶苘麻被恢复为其余被采样苘麻属类群的姊妹群，但仍需更广泛的类群采样和核基因组数据来阐明苘麻属的地理起源和多样化历史。未来需要将双亲遗传的核基因组或转录组数据与更广泛的类群采样相结合，以解析该属的进化关系和多样化格局。
