魔芋属（Amorphophallus）叶绿体基因组的比较分析：结构变异模式、密码子使用偏好及系统发育关系解析

《BMC Plant Biology》：Comparative chloroplast genomics in Amorphophallus: revealing codon usage patterns and phylogenetic clades across 16 species

　　

摘要

背景

Amorphophallus 是天南星科中的一个重要属，具有经济价值和显著的观赏多样性。然而，由于形态可塑性显著以及叶和花的出现时间分离，使用传统方法进行的准确分类鉴定仍然具有挑战性。迄今为止，该属内叶绿体基因组的广泛比较分析仍然缺乏，结构变异模式和系统发育关系尚不清楚。因此，本研究旨在通过比较基因组分析阐明Amorphophallus 叶绿体基因组的结构进化特征和密码子使用偏好，并明确其系统发育位置。

结果

使用 PacBio Revio 平台对六种Amorphophallus 物种（A. pendulus、A. glaucophyllus、A. fornicatus、A. macrophyllus、A. titanum 和 A. hewittii）的叶绿体基因组进行了测序、组装和注释。这些数据与先前报道的十种物种的数据相结合，进行了比较基因组分析、密码子使用偏好分析和系统发育重建。这 16 种Amorphophallus 物种的叶绿体基因组大小范围为 152,492 至 185,810 bp，并表现出典型的四分体结构。在A. macrophyllus 和A. glaucophyllus 中检测到倒置重复（IR）区域扩张，而在A. fornicatus 中鉴定出 IR 收缩。accD 基因（Pi = 0.1217）被鉴定为高度可变区域。密码子使用模式表现出向以 A 和 U 结尾的密码子偏移的趋势，鉴定出自然选择是主要的驱动力。在所有物种中检测到六个共有的最优密码子。在 16 种Amorphophallus 物种的叶绿体基因组中仅鉴定出 C → U 碱基编辑事件。跨越 80,401–81,200 bp 的基因组区域被鉴定为最佳 DNA 条形码窗口，利用五个诊断位点可区分所有 16 种物种。系统发育分析显示，所有Amorphophallus 物种形成一个单系群，进一步分为三个主要类群：大陆亚洲 I（CA-I）、大陆亚洲 II（CA-II）和东南亚（SEA）。东南亚（SEA）类群包含四个物种：A. fornicatus、A. pendulus、A. hewittii 和A. titanium。大陆亚洲 II（CA-II）类群包含六个物种：A. glaucophyllus、A. macrophyllus、A. konjac、A. krausei、A. albus 和A. kachinensis。大陆亚洲 I（CA-I）类群包含五个物种和一个未鉴定到物种的标本：A. coaetaneus、A. tonkinensis、A. yunnanensis、A. kiusianus、A. muelleri 和Amorphophallus sp. 在天南星科中，Symplocarpus 是其余采样天南星科成员的近缘属，Amorphophallus 与Syngonium、Xanthosoma、Zomicarpella 和Caladium 关系最近。

结论

本研究系统地阐明了Amorphophallus 叶绿体基因组的结构变异模式和进化特征，明确了密码子使用偏好的潜在机制，并解决了该属的系统发育位置问题。这些发现为物种鉴定、种质资源保存和分子育种提供了重要的基础数据。