基于叶绿体全基因组解析Schweinfurthia属的系统发育位置及其在唇形目中的分类学意义

《Scientific Reports》：Comparative plastome analysis of Schweinfurthia papilionacea and Schweinfurthia imbricata clarifying their taxonomic position in Lamiales

本研究针对Schweinfurthia属植物的分类学争议，通过测序和分析S. papilionacea与S. imbricata的完整叶绿体基因组(plastome)，解决了该属在唇形目(Lamiales)中的系统发育位置问题。研究结果表明，Schweinfurthia应归属于车前科(Plantaginaceae)，而非传统的玄参科(Scrophulariaceae)，为理解唇形目植物的进化关系提供了重要的分子证据。

　　

在植物分类学领域，Schweinfurthia属植物的系统发育位置长期以来存在争议。传统形态学分类将其归入玄参科(Scrophulariaceae)，而现代分子系统发育证据则支持其与车前科(Plantaginaceae)的亲缘关系更近。这种分类学不确定性不仅影响了对该属植物进化历史的理解，也阻碍了对其生态适应性和生物地理学模式的深入探究。

为了解决这一争议，由Syed Abdullah Gilani、Binta Kondoor Benny和Zakira Naureen组成的研究团队对Schweinfurthia papilionacea和S. imbricata两种植物的完整叶绿体基因组进行了测序和比较分析。这项研究发表在《Scientific Reports》期刊上，旨在通过高分辨率的基因组数据为Schweinfurthia属的分类学位置提供明确证据。

研究人员采用了几项关键技术方法：从阿曼Birkat Al Mawz地区采集的两种Schweinfurthia植物样本，通过Illumina HiSeq2000平台进行全基因组测序；使用GetOrganelle进行叶绿体基因组组装和GeSeq进行注释；利用最大似然法(ML)和贝叶斯推断法构建系统发育树；通过MISA分析简单序列重复(SSR)和REPuter分析重复序列；采用MEGA12进行Ka/Ks中性检验和密码子使用偏好分析。

叶绿体基因组特征

研究获得了S. papilionacea(153,238 bp)和S. imbricata(153,206 bp)的完整叶绿体基因组序列。两个基因组均呈现典型的四部分结构，包括大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和两个反向重复区(IRa/IRb)。GC含量分别为37.8%和37.9%，基因数量分别为132和133个，包括88个蛋白编码基因、36-37个tRNA基因和8个rRNA基因。两个物种的基因组在基因内容和排列顺序上高度保守，未发现基因丢失或重排事件。

重复序列和SSR分析

简单序列重复(SSR)分析显示，两个物种的叶绿体基因组中含有丰富的单核苷酸重复(73.65%)，且绝大多数(99.8%)为A/T富集。约10%的SSR位于编码区，如rpoC1、ndhA、ycf3等基因中，这些区域可能具有功能重要性。回文重复分析发现了224个(S. papilionacea)和218个(S. imbricata)不同长度的回文序列，其中9bp长度的回文序列最为丰富。

选择压力和密码子使用分析

Ka/Ks中性检验显示，两个物种的大多数蛋白编码基因(约75%)受到纯化选择(Ka/Ks<1)，但约24%的基因显示正选择信号(Ka/Ks>1)。受到强烈正选择的基因包括accD、atpF、ccsA、infA、matK、多个ndh基因(ndhA、ndhB、ndhD、ndhK)和petG。密码子使用偏好分析显示两个物种均倾向于使用A/T结尾的密码子(64.2% in S. papilionacea, 64.8% in S. imbricata)，五个高偏好密码子(AGA、UUA、GCU、UCU)在两个物种中完全一致。

基因内容和结构比较

基因拷贝数和长度热图分析显示，S. papilionacea和S. imbricata与车前科代表物种聚类在一起，而非玄参科物种。两个物种均缺失ycf15基因，这与车前科中多个物种的模式一致。IR边界分析显示，两个物种的rps19、ndhF和ycf1基因位置高度保守，与车前科其他成员相似。

基因组共线性和变异分析

共线性分析显示，两个Schweinfurthia物种的叶绿体基因组与金鱼草族(Antirrhineae)代表物种Antirrhinum majus高度保守。两个物种间的序列相似性达98.7%，共鉴定出10个单核苷酸多态性(SNP)，分布在rps19、ycf2、ndhD等基因以及rps16-trnQ-UUG、petA-psbJ、rps19-rpl2等基因间隔区。

系统发育分析

基于完整叶绿体基因组序列构建的最大似然树和邻接树均强烈支持(bootstrap支持率>95%，后验概率>0.95)Schweinfurthia属于车前科，与金鱼草族(Antirrhineae)形成姐妹群关系。所有玄参科物种均单独聚类，与Schweinfurthia明显分开。基于rbcL和matK基因的系谱分析也支持这一结论。

遗传分化分析

尽管两个Schweinfurthia物种间的总体核苷酸多样性极低(0.0000653)，但比较分析显示车前科物种的叶绿体基因组多样性显著高于玄参科。车前科的平均核苷酸多样性(0.106525)约为玄参科(0.015479)的7倍，多态性位点数量也高出约9倍，表明车前科具有更高的遗传多样性。

研究结论表明，Schweinfurthia papilionacea和S. imbricata的叶绿体基因组在结构和基因内容上高度保守，仅存在微小差异。系统发育分析强烈支持将Schweinfurthia属归入车前科而非玄参科，解决了长期存在的分类学争议。两个物种间极低的遗传分化表明它们具有密切的进化关系，可能经历了近期分化或存在基因流。该研究为理解唇形目植物的进化历史提供了重要的基因组学见解，也为植物分类学研究中叶绿体基因组的应用提供了范例。

这项研究的重要意义在于首次提供了Schweinfurthia属的完整叶绿体基因组资源，为解决该属的分类学争议提供了明确的分子证据。研究结果支持了基于分子数据的现代植物分类系统(如APG系统)，强调了基因组数据在解决复杂分类学问题中的价值。此外，研究中鉴定的变异位点为未来Schweinfurthia属物种鉴定和种群遗传学研究提供了潜在的分子标记。