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武漢植物園基于葉綠體全基因組揭示菱屬系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系
菱屬(Trapa L.)，為菱科(Trapaceae)單屬，一年生浮葉水生草本植物，是我國(guó)傳統(tǒng)的藥食兩用水生作物，具有重要的生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)價(jià)值。我國(guó)菱屬資源非常豐富，世界菱屬植物的兩個(gè)物種多樣性中心均分布于我國(guó)：一是長(zhǎng)江中下游地區(qū)，二是黑龍江及圖們江流域。據(jù)《中國(guó)植物志》記載，我國(guó)共有菱屬15種9變種。然而，隨著人類活動(dòng)干擾的不斷加劇，濕地不斷萎縮退化，菱屬生境遭到嚴(yán)重破壞，野生菱種質(zhì)資源嚴(yán)重流失。目前，細(xì)果野菱已經(jīng)位列中國(guó)珍惜瀕危植物名錄，屬國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物。因此，菱屬野生種質(zhì)資源的收集已經(jīng)迫在眉睫，而準(zhǔn)確的物種及親緣關(guān)系鑒定，是有力保護(hù)和長(zhǎng)期利用植物遺傳資源的前提。
被子植物的葉綠體基因組為母系遺傳的單倍體，其已經(jīng)成為物種鑒定和系統(tǒng)分類研究的重要工具。而菱屬植物由于其營(yíng)養(yǎng)體相似，果實(shí)的形態(tài)特征變異幅度廣泛，目前屬內(nèi)缺乏一致的、明確的物種劃界標(biāo)準(zhǔn)，這給菱屬的物種鑒定及進(jìn)化關(guān)系探討帶來(lái)很大困難。為了填補(bǔ)這一研究空白，本研究選取13個(gè)菱屬野生物種進(jìn)行葉綠體全基因組測(cè)序，對(duì)15個(gè)菱屬物種葉綠體基因組進(jìn)行比較分析，并利用質(zhì)體序列構(gòu)建菱屬系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，菱屬15個(gè)野生物種/類群的葉綠體基因組大小為155,453-155,559 bp，具有典型的葉綠體四分體結(jié)構(gòu)：一個(gè)LSC、一個(gè)SSC和兩個(gè)IR區(qū)域。15個(gè)菱屬葉綠體基因組結(jié)構(gòu)、GC含量和編碼基因數(shù)量都具有高度相似性。同時(shí)，他們都注釋到了130個(gè)基因，其中包含85個(gè)蛋白編碼基因、37個(gè)tRNA和8個(gè)rRNA。
比較分析發(fā)現(xiàn)，菱屬葉綠體基因組中有兩個(gè)高變異熱點(diǎn)區(qū)域(atpA-atpF和rps2-rpoC2)，以及豐富的長(zhǎng)重復(fù)序列和SSRs位點(diǎn)，主要分布在LSC區(qū)和非編碼區(qū)，可作為潛在的分子標(biāo)記，用于后續(xù)菱屬物種鑒定。
三種系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建方法(MP，ML和BI)一致顯示，菱屬內(nèi)部有兩個(gè)進(jìn)化分支，小果分支和大果分支。小果分支僅包括細(xì)果野菱和四角刻葉菱，位于系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)的基部;其余物種屬于大果分支，且大果分支內(nèi)部，菱屬物種依據(jù)其果實(shí)外部形態(tài)特征和地理來(lái)源進(jìn)行聚類。
本研究首次報(bào)道了15個(gè)菱屬野生物種葉綠體基因組的比較分析，并基于葉綠體序列構(gòu)建了菱屬內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，為菱屬植物物種鑒定和系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)育研究提供了基礎(chǔ)資料，為菱屬遺傳資源的管理和利用提供了科學(xué)依據(jù)。
本研究結(jié)果已發(fā)表在國(guó)際期刊 BMC plant biology 上，中國(guó)科學(xué)院武漢植物園與西藏大學(xué)聯(lián)培生博士生樊香絨為論文第一作者，水生植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室副研究員陳媛媛為通訊作者。本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金(31100247)和中國(guó)科學(xué)院武漢植物園科研骨干計(jì)劃(Y855291)資助。
圖1 菱屬植物大果物種與小果物種的葉綠體基因組環(huán)形基因圖譜
圖2 15個(gè)菱屬植物葉綠體基因組的核苷酸變異值(Pi)。(a)非編碼區(qū);(b)編碼區(qū)
圖3 基于22個(gè)葉綠體全基因組序列利用最大似然法(ML)、最大簡(jiǎn)約法(MP)和貝葉斯(BI)法構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)
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