探索唇形科关键物种叶绿体基因组：解锁进化与亲缘关系密码

为探究唇形科植物进化关系等，研究人员分析 5 种植物叶绿体基因组，揭示其结构和进化特征。

　　唇形科植物在我们的生活中扮演着重要角色，薰衣草那浪漫的紫色花海，不仅带来视觉享受，其精油还能舒缓身心；薄荷清爽的口感，为各种饮品和美食增添独特风味；罗勒、鼠尾草和百里香等，也都是烹饪和医药领域的 “明星”。这些植物富含的多种植物化学物质，具有强大的生物活性，对治疗许多慢性疾病有着潜在价值。然而，尽管唇形科植物如此重要，但目前对于它们叶绿体基因组的全面研究却非常有限，特别是跨属的比较研究更是匮乏。这就好比在探索植物进化和遗传奥秘的道路上，我们缺少了关键的拼图。

为了填补这一空白，来自土耳其凡尤兹尼库尤尔大学农业生物技术系、埃尔津詹比纳利?耶尔德勒姆大学科学研究所、土耳其农林部埃尔津詹园艺研究所以及阿塞拜疆西里海大学等机构的研究人员 Mehmet Alp Furan、Faruk Yildiz 和 Ozkan Kaya 等开展了一项研究。他们的研究成果发表在《Journal of Plant Growth Regulation》上。

研究人员为了深入了解唇形科植物的进化历程和遗传关系，选择了 5 种具有代表性的唇形科植物，包括薰衣草（Lavandula angustifolia）、薄荷（Mentha × piperita）、非洲罗勒（Ocimum × africanum）、日本鼠尾草（Salvia japonica）和百里香（Thymus serpyllum）。他们从 NCBI 数据库中获取这些植物完整的叶绿体基因组序列，运用一系列生物信息学方法进行深入分析。

研究中用到的主要关键技术方法有：首先，从 NCBI 数据库获取叶绿体基因组数据，并利用 Geneious Prime 软件对序列进行组装和注释，还用 OrganellarGenomeDRAW 软件绘制基因组图谱。其次，使用相关工具分析密码子使用情况和预测 RNA 编辑位点，如用 Sequence Manipulation Suite 分析同义密码子频率，用 Mower 算法预测 RNA 编辑位点。再者，通过 Tandem Repeats Finder 和 MISA 工具识别重复序列，利用 mVISTA 工具进行全基因组比较分析，借助 IRscope 观察 LSC/IR/SSC 连接区域的结构变化。最后，运用 MEGA 软件，采用最大似然法（ML）和邻接法（NJ）构建系统发育树，进行分子钟测试。

研究结果如下：

1. 叶绿体基因组结构：5 种植物的叶绿体基因组都呈现出典型的四分体结构，大小在 152,048 - 153,995 碱基对之间。基因组由大的单拷贝区（LSC）、小的单拷贝区（SSC）和两个反向重复区（IR）组成。不同区域的大小存在差异，比如 LSC 区域长度在 82,716 - 84,605 碱基对之间，SSC 区域长度在 17,579 - 19,874 碱基对之间，IR 区域长度在 24,774 - 25,815 碱基对之间。而且，各区域的 GC 含量也不同，IR 区域的 GC 含量最高（43.0 - 43.4%），LSC 区域为 35.9 - 36.2%，SSC 区域最低，为 31.6 - 32.1%。
2. 基因组成：5 种植物的叶绿体基因组中基因数量在 131 - 134 个之间，都包含 50 个蛋白质编码基因、8 个 rRNA 基因和 37 个 tRNA 基因。基因的排列和组织方式也高度保守，许多基因以特定的组合形式存在，形成类似操纵子的结构，可能有助于基因的协同表达。
3. 密码子使用偏好：对密码子使用的分析发现，这些植物的叶绿体基因组在密码子使用上存在明显偏好，倾向于以 T/C 结尾的密码子，特别是 TTT、AAA 和 AAT 这几个密码子使用频率较高。这一现象与基因组的高 AT 含量相关，同时也暗示了在转录和翻译过程中，可能存在特定的调控机制。
4. 重复序列分析：研究人员对重复序列进行分析，发现单核苷酸简单序列重复（SSRs）在基因组中占主导地位，而在所有物种中都未检测到四核苷酸和五核苷酸重复序列。这表明在叶绿体基因组的进化过程中，重复序列的演变可能受到特定机制的调控。
5. 系统发育分析：通过对 5 种植物叶绿体基因组的系统发育分析，构建了系统发育树。结果进一步证实了它们之间的进化关系，同时发现由于 IR 区域的收缩和扩张，导致 LSC/IR/SSC 连接区域的基因定位发生变化，这成为物种特异性差异的重要体现，反映了这些植物在进化过程中的适应性变化。

研究结论和讨论部分指出，这项研究全面揭示了 5 种唇形科植物叶绿体基因组的结构和进化特征。基因组结构的保守性，尤其是基因组成和排列的高度一致性，表明在唇形科植物的进化历程中，存在强大的纯化选择压力，维持着这些基因组特征的稳定性。密码子使用偏好的发现，不仅有助于理解基因表达的调控机制，还可能为基因工程改造提供潜在靶点。重复序列的分布特点，为研究叶绿体基因组的进化动态提供了新的视角，暗示了可能存在的独特调控机制。系统发育分析明确了物种间的进化关系，为进一步研究唇形科植物的分类和进化提供了坚实的基础。

这些研究成果在植物分子生物学、系统学研究和保护等方面具有重要意义。在植物分子生物学领域，有助于深入理解叶绿体基因组的进化机制，为探索植物基因表达调控和遗传变异提供了宝贵信息。在系统学研究中，为准确界定唇形科植物的分类地位和进化关系提供了有力依据，有助于完善植物分类体系。在保护方面，通过揭示这些植物的遗传特征，能够为制定更有效的保护策略提供指导，保护唇形科植物的遗传多样性。总之，该研究为后续的植物研究开辟了新的方向，具有重要的理论和实践价值。