揭秘南五味子叶绿体基因组：解开物种亲缘与进化的神秘面纱

《Discover Plants》：Characterization and intraspecies variation of the complete chloroplast genome of Schisandra sphenanthera, an important medical plant

研究人员为区分南五味子（Schisandra sphenanthera）与其他五味子属物种，测序组装其叶绿体基因组，发现其与华中五味子亲缘近，为相关研究提供遗传资源。

　　

一、研究背景：迷雾中的五味子

在神秘的植物世界里，五味子属（Schisandra Michx. ）植物宛如一群隐匿在山林间的 “宝藏精灵”，多数成员都有着神奇的药用价值。南五味子（Schisandra sphenanthera Rehder & E. H. Wilson 1913），这种在中国温带地区土生土长的多年生落叶木质藤本植物，不仅果实能食用，其干燥成熟果实更是传统中医药宝库中的瑰宝。它含有多种木脂素和萜类化合物，具备护肝、神经保护、抗炎以及抗 HIV 等诸多药理活性，在俄罗斯、日本、韩国等地也被视作滋补佳品。

然而，南五味子和华中五味子（Schisandra chinensis）就像一对难以分辨的双胞胎，它们在外观、成分组成和治疗效果上高度相似，这就导致了在实际应用中经常出现相互替代或误用的情况。尽管近年来部分五味子属植物的叶绿体基因组已被测序，但南五味子的叶绿体基因组依旧是个未解之谜。为了拨开这层迷雾，深入探究南五味子与其他五味子属物种之间的异同，来自许昌学院、安庆师范大学以及中国科学院庐山植物园的研究人员踏上了探索之旅。这项研究成果发表在《Discover Plants》上，为后续研究叶绿体进化和分类提供了重要的遗传资源。

二、研究方法：开启探索之旅的钥匙

研究人员首先在陕西宝鸡的原生森林栖息地，经当地政府许可并遵循相关法规，采集了成熟的南五味子植株样本。通过改良的 CTAB 方法从叶片中提取总基因组 DNA。随后，利用 Illumina HiSeq2500 平台进行基因组测序，得到大量原始数据。借助 NGS QC Toolkit 软件去除低质量碱基，再使用 Geneious 软件和 Velvet 短读长组装器手动完成叶绿体基因组的组装与注释，最后用 CPGview 绘制叶绿体基因组示意图。

为了深入挖掘叶绿体基因组的特征，研究人员利用 MISA 在线程序检测简单序列重复（SSRs），设定合适的重复单元参数识别不同类型的 SSR。通过 mVISTA 在 Shuffle-LAGAN 模式下进行比较基因组分析，还利用 REPuter 网站计算长重复序列。在系统发育分析方面，选取 18 个被子植物物种，将南五味子叶绿体编码序列与其他物种进行比对，使用 RAxML 构建最大似然树，以明确南五味子在植物界的 “家族位置”。

三、研究结果：南五味子的基因密码

1. 叶绿体基因组特征：南五味子的叶绿体基因组呈环状，长度为 146,843bp，由一对长度为 16,314bp 的反向重复（IR）区域、一个 95,628bp 的大单拷贝（LSC）区域和一个 18,281bp 的小单拷贝（SSC）区域构成。基因组共注释出 113 个基因，包括 79 个蛋白质编码基因、30 个转运 RNA（tRNA）基因和 4 个核糖体 RNA（rRNA）基因 。部分基因有双拷贝，一些基因含有内含子。其整体 GC 含量为 39.6%，IR 区域的 GC 含量较高，达到 45.7%，而 LSC 和 SSC 区域的 GC 含量分别为 38.4% 和 34.9%。该基因组序列已在 GenBank 登记，登录号为 KX638480。
2. 重复序列分析：在南五味子叶绿体基因组中，研究人员共鉴定出 47 个 SSR，其中单核苷酸和二核苷酸重复占比达 76.60%，未发现六核苷酸重复。此外，还识别出 100 个长重复序列，包括 47 个回文重复、44 个正向重复和 9 个反向重复。
3. 比较基因组分析：以南五味子为参考，对四种五味子属植物（南五味子、球蕊五味子 S. repanda、合蕊五味子 S. propinqua 和华中五味子）的叶绿体基因组进行比较。结果显示，它们的序列高度相似，尤其是外显子和 mRNA 区域，表明叶绿体基因组的编码区相对保守。四个物种的基因组大小相近，差异主要源于保守的非编码序列，GC 含量也十分接近。南五味子和球蕊五味子的基因目录相同，而合蕊五味子和华中五味子的基因目录存在差异，且不同物种间部分基因的拷贝数和组成有所不同。
4. 系统发育位置：基于系统发育树分析，南五味子与华中五味子的亲缘关系最为接近，它们与少花八角（Illicium oligandrum）共同构成一个单系分支，支持了木兰藤目（Austrobaileyales）的单系性。同时，系统发育树的拓扑结构与以往研究相符，表明叶绿体基因组在被子植物系统发育研究中具有重要价值。研究人员还对两个不同个体的南五味子叶绿体基因组进行分析，发现除了一些单核苷酸多态性（SNPs）和结构变异（SVs）外，基因目录、整体 GC 含量和 IR 边界等方面差异不大。

四、研究结论与意义：照亮植物研究的灯塔

这项研究首次成功测序并组装了南五味子的完整叶绿体基因组，为其提供了全面的遗传信息。通过重复序列分析、比较基因组分析和系统发育分析，不仅揭示了南五味子叶绿体基因组的特征，还明确了其与其他五味子属物种的亲缘关系。研究结果有助于解决南五味子与其他五味子属物种的混淆问题，为植物分类学和物种鉴定提供了重要依据。

在植物进化研究方面，南五味子叶绿体基因组的解析为探究木兰藤目植物的进化历程提供了新的视角，进一步加深了人们对被子植物系统发育的理解。此外，该研究还为南五味子的资源保护和合理利用提供了遗传学基础，对开发其药用价值具有重要意义。未来，随着研究的不断深入，南五味子叶绿体基因组中的奥秘将被进一步挖掘，为植物学和医学领域带来更多的惊喜与突破。