解析山茶属叶绿体基因组：解锁进化与物种分化密码

研究人员测序组装 9 种山茶属叶绿体（cp）基因组，明晰进化关系与物种分化，助力物种鉴定与保护。

　　### 山茶属植物研究：探索遗传奥秘，助力物种保护
山茶属（Camellia）植物，在花卉园艺、经济作物以及生态系统中都占据着重要地位。像山茶花（Camellia japonica），凭借其绚丽的花朵，成为全球备受青睐的观赏花卉；油茶树（Camellia oleifera）所产的茶油，营养丰富，是优质的食用油来源 。然而，山茶属植物的遗传多样性和物种间的进化关系却迷雾重重。一方面，不同物种间的遗传关系错综复杂，缺乏清晰的界定；另一方面，许多山茶品种的亲本来源存在争议，这给物种的准确鉴定带来了极大困难。并且，山茶属植物形态特征的分类也面临挑战，因为它们形态多样性有限，且同一物种在不同环境下性状会发生变化，仅依靠外观特征难以进行精准分类。

为了拨开这些迷雾，云南省农业科学院花卉研究所和云南花卉技术创新中心的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从国际花卉技术创新中心种植的 9 种山茶属植物上采集新鲜叶片样本，提取基因组 DNA 后，利用超声处理进行片段化，构建文库并在 Illumina 平台测序。接着，使用 Fastp 软件过滤低质量序列，通过 GetOrganelle 软件，以其他已知山茶属植物的叶绿体基因组为参考进行组装，再用 Dual Organellar Genome Annotator（DOGMA）和 CPGAVAS2 软件进行注释。之后，运用多种软件分别进行密码子偏好性、共线性、重复序列、核苷酸多态性（Pi）和选择压力分析，还通过 Gblocks、Orthofinder 等软件处理数据，最终利用 RAxML 软件构建系统发育树。

研究结果主要从以下几方面展开：

1. 叶绿体基因组特征：9 种山茶属植物的叶绿体基因组都呈现典型的四分体结构，由一个大单拷贝区（LSC）、一个小单拷贝区（SSC）和两个反向重复区（IR）构成。基因组长度在 156,580 - 157,059bp 之间，预测出 87 个编码序列（CDSs）和 8 个 rRNAs 。不同样本的 tRNA 数量略有差异，GC 含量在不同区域有所不同，IR 区的 GC 含量最高，这表明山茶属叶绿体基因组较为稳定和保守。
2. 密码子使用分析：对编码序列进行密码子使用分析发现，9 种样本共编码 20 种氨基酸，多数氨基酸存在密码子偏好性，除甲硫氨酸（Met）和色氨酸（Trp）外。并且，大部分 RSCU 值大于 1 的密码子以 A/T 结尾，显示出对 A/T 碱基的强烈偏好，这体现了 9 种山茶属植物叶绿体基因组在进化上的高度保守性。
3. 简单序列重复（SSR）和分散重复分析：在不同样本中检测到的 SSR 数量不同，分布具有显著异质性，LSC 区频率最高，SSC 区最低，四核苷酸重复最为常见，五核苷酸重复缺失。还发现了一些样本特有的 SSR 类型。分散重复分析表明，共鉴定出 600 个分散重复序列，其中回文序列占 45%，10 - 20bp 的重复序列最为普遍，不同样本在各长度重复序列数量上存在差异。
4. 共线性分析：利用 MCScanX 工具对 9 种山茶属植物和 3 种参考基因组进行共线性分析，结果显示叶绿体基因组之间高度相似，未观察到大规模的倒位或重排，表明这些基因组具有较高的同源相似性。
5. IR 区的扩张和收缩分析：对 IR、LSC 和 SSC 区域边界的比较分析发现，叶绿体基因组总体保守，但存在一些边界变化。如 Camellia petelotii 的 IR 区较长，SSC 区较短；部分基因在不同样本中的区域分布存在差异，这些变化对研究 IR 区域边界、系统发育分析和物种鉴定具有重要意义。
6. 核苷酸多态性（Pi）和选择压力分析：Pi 分析显示，9 种样本的序列相似性较高，确定了 5 个高核苷酸多样性位点：rpsbK、psbM、ndhJ、ndhF 和 ndhD，这些区域有潜力作为 DNA 条形码和分子标记。选择压力分析表明，accD 基因进化速率较高，可能受到正选择压力，而其他多数基因受到纯化选择。
7. 系统发育分析：基于 82 种山茶属植物的叶绿体基因组构建系统发育树，明确了不同品种间的亲缘关系。如 Songzi、Sanyuecha、L.T.Dees 和 Kagirohi 等品种亲缘关系较近；Massee Lane 属于 Sect. Camellia 分支；Xiameng Hualin、Xiameng Wenqing、Xiameng Xiaoxuan 和 Camellia petelotii 聚为一支，与 Camellia tamdaoensis 接近。同时，研究还对一些存在分类争议的物种，如 C. yunnanensis 的分类位置进行了探讨，为研究山茶属物种的遗传关系提供了理论依据。

研究结论和讨论部分指出，此次研究成功测序和组装了 9 种山茶属植物的叶绿体基因组，其结构和基因组成具有典型性和保守性。重复序列特征表明山茶属叶绿体基因组进化相对缓慢。通过分析，确定了潜在的分子标记，为物种鉴定提供了新的方法。系统发育分析清晰呈现了各品种间的亲缘关系，解决了部分物种分类的争议，支持了 Sect. Paracamellia 和 Sect. Oleifera 合并的观点。这些成果为山茶属植物的遗传多样性研究、物种鉴定和保护策略制定奠定了坚实基础，有助于推动山茶属植物在园艺、农业和生态保护等领域的进一步发展。