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本研究针对杨树属（Populus）物种分类困难及进化关系不清的问题，开展了基于叶绿体基因组的比较分析与系统发育研究。研究人员通过对7个杨树类群的34个个体的叶绿体基因组进行组装、注释和比较分析，揭示了杨树属的单系性，并将其划分为四个类群。研究结果为杨树属物种鉴定、进化关系解析、育种及资源开发提供了重要参考。
杨树属（Populus）植物作为重要的经济林木和生态树种，其分类和进化关系的研究一直是植物学领域的难点。由于杨树属存在频繁的种间杂交和克隆繁殖现象，导致其形态鉴定困难，物种分类系统存在较大差异。为解决这一问题，四川农业大学的研究人员开展了基于叶绿体基因组的比较分析与系统发育研究。通过对7个杨树类群的34个个体的叶绿体基因组进行组装、注释和比较分析，研究人员揭示了杨树属的单系性，并将其划分为四个类群。这一成果不仅为杨树属物种鉴定和进化关系解析提供了重要参考，还为杨树的育种及资源开发提供了理论依据。论文发表在《BMC Genomics》上。
研究背景：
杨树属（Populus）植物是全球重要的经济林木和生态树种，广泛分布于北半球的亚热带至寒带森林中。它们在木材生产、生态建设中发挥着重要作用，并且因其快速生长、易于无性繁殖、基因组较小等优点，被认为是分子生物学研究的模式树种。然而，杨树属的分类和进化关系一直存在争议。由于其存在频繁的种间杂交和克隆繁殖现象，导致形态特征难以准确鉴定物种，物种分类系统存在较大差异。此外，杨树属的进化关系尚未明确，这给杨树资源的开发和利用带来了困难。因此，开展基于叶绿体基因组的比较分析与系统发育研究，对于揭示杨树属的进化关系和物种鉴定具有重要意义。
研究方法：
研究人员收集了来自7个杨树类群的34个个体的样本，这些类群包括5个已知物种和2个新发现的物种。样本采集后，研究人员通过改良的CTAB法提取了植物的全基因组DNA，并利用Illumina HiSeq 4000平台进行测序，获得了高质量的测序数据。随后，研究人员以美洲黑杨（Populus trichocarpa）的叶绿体基因组为参考序列，利用Getorganelle软件对34个个体的叶绿体基因组进行组装，并通过CPGAVAS2和Geseq在线工具进行注释。此外，研究人员还利用多种生物信息学工具，如CodonW、MISA-web、REPuter等，对叶绿体基因组的密码子偏好性、简单重复序列（SSRs）和长序列重复等特征进行了分析。最后，研究人员基于叶绿体基因组的比较分析，构建了系统发育树，以揭示杨树属的进化关系。
研究结果：
叶绿体基因组特征分析：
研究人员成功组装并注释了7个杨树类群的34个个体的叶绿体基因组，其大小范围为155,736 bp至156,812 bp，均具有典型的四分体结构，包括大单拷贝区（LSC）、小单拷贝区（SSC）和一对反向重复区（IRs）。所有叶绿体基因组的GC含量相对一致，为37.6%。研究人员在所有杨树物种中鉴定出134个基因，包括88个蛋白编码基因（PCGs）、37个tRNA和8个rRNA基因。基因序列比对显示，不同类群的基因序列和内容相对保守，未发现基因重排，仅鉴定出3个高变区域（psbZ-trnG、ndhC-trnV和trnN-trnR），这些区域可作为分子标记。
密码子偏好性分析：
研究人员对7个杨树类群的叶绿体基因组中的蛋白编码基因（PCGs）进行了密码子偏好性分析。结果显示，所有样本对每个氨基酸的密码子使用偏好一致，其中亮氨酸的密码子数量最多（占比10.71% - 10.80%），而半胱氨酸的密码子数量最少（占比1.13% - 1.15%）。在61个密码子中，有29个密码子的相对同义密码子使用（RSCU）值大于1，其中AGA的RSCU值最大（1.90 - 1.93），表明A/U在密码子的第三位具有偏好性。
SSRs和长序列重复分析：
研究人员在7个杨树类群的叶绿体基因组中检测到129 - 146个SSR位点，主要分布在LSC区域，其中81个SSR位点位于蛋白编码基因（PCGs）中。SSR类型包括单核苷酸（Mono-）至六核苷酸（Hexa-）重复序列，其中单核苷酸重复序列最为常见，主要为A/T型重复。此外，研究人员还检测到362个长序列重复，主要分布在LSC区域，包括正向重复（F-）、反向重复（R-）、回文重复（P-）和互补重复（C-）四种类型。
IRs扩张与收缩、序列差异和核苷酸多样性分析：
研究人员比较了7个杨树类群的LSC、IRs和SSC区域的连接边界，发现IRs与SC区域的连接边界具有较高的保守性。通过对叶绿体基因组的序列相似性分析，研究人员发现不同物种之间的差异较小，外显子区域高度保守。核苷酸多样性（Pi）分析显示，7个杨树类群的叶绿体基因组中共检测到767个多态性位点，Pi值范围为0 - 0.0254，平均值为0.00193。其中，仅3个高变区域（Pi > 0.011）位于LSC区域的psbZ-trnG和ndhC-trnV以及IRa区域的trnN-trnR，这些区域的非编码区域比编码区域显示出更多的变异。
同义（Ks）和非同义（Ka）替代率分析：
研究人员以美洲黑杨（Populus trichocarpa）的叶绿体基因组为参考，计算了7个杨树类群中79个PCGs的Ka/Ks比值。结果显示，29个PCGs的Ka/Ks值小于1，表明这些基因具有保守性。其中，rps7、rps12和rpl16基因在所有物种中的Ka/Ks值均大于1，表明这些基因受到正选择，处于快速进化阶段。
种群遗传进化分析：
基于34个个体的叶绿体基因组，研究人员对7个杨树类群的母系遗传进化进行了分析。通过遗传结构分析，当K = 4或5时，7个类群被清晰地划分为4个组。其中，P. cathayana和P. gonggaensis关系密切，P. dafengensis、P. lasiocarpa和P. szechuanica与P. butuoensis关系密切。系统发育树、主成分分析（PCA）和单倍型网络分析的结果与遗传结构分析一致。此外，研究人员还分析了7个类群的核苷酸多样性（Pi）和遗传分化系数（Fst），发现P. dafengensis具有最高的Pi值（4.10×10-2），而P. gonggaensis具有最低的Pi值（4.22×10-3）。P. gonggaensis与P. butuoensis之间的遗传分化系数（Fst）最高（0.976），而P. lasiocarpa与P. dafengensis之间的遗传分化系数最小（Fst = 0.171）。
系统发育分析：
研究人员基于62个杨树物种的叶绿体基因组中的共同PCGs构建了系统发育树。结果显示，杨树属是一个单系类群，可划分为四个类群（Sect. Turanga、Populus、Abaso和ATL）。其中，P. dafengensis、P. butuoensis、P. las
class="paragraph">iocarpa和P. szechuanica关系密切，而P. gonggaensis、P. wilsonii和P. cathayana关系密切。这表明Sect. Tacamahaca的类群可能是三个新物种的母本，而Sect. Leucoides的类群可能是父本。研究结论与讨论：
本研究通过对杨树属7个类群的叶绿体基因组进行组装、注释和比较分析，揭示了杨树属的进化关系和物种鉴定的新见解。研究结果表明，杨树属是一个单系类群，可划分为四个类群。通过鉴定出的高变区域（psbZ-trnG、ndhC-trnV和trnN-trnR），为杨树属相关物种的鉴定和系统发育重建提供了潜在的分子标记。此外，研究还发现叶绿体基因组在不同物种之间高度保守，仅在基因组大小、重复序列数量和IR边界方面存在微小差异。这些发现不仅有助于杨树资源的开发和利用，还为后续的系统发育网络重建和种群遗传学研究提供了有力的数据支持。杨树作为重要的经济和生态树种，其叶绿体基因组研究对于理解其进化历史、指导育种实践以及保护遗传多样性具有重要意义。
