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为解决北美本土红桑（Morus rubra）因与入侵白桑（Morus alba）杂交导致的遗传完整性受威胁及分类难题，研究人员开展红桑叶绿体基因组测序及桑树系统发育分析研究。结果揭示了红桑叶绿体基因组特征、桑树进化历史等。该研究为红桑保护及桑树分类提供关键数据111。
在广袤的自然界中，桑树家族扮演着独特的角色，其中北美本土的红桑（
Morus rubra）更是在维持原生河岸栖息地生物多样性方面发挥着关键作用。然而，红桑如今却陷入了困境。自 1600 年代早期，白桑（
Morus alba）被引入北美用于发展丝绸产业后，它迅速扩张，与红桑的分布范围重叠。两种桑树的杂交现象日益严重，导致红桑的遗传完整性受到极大威胁，大量的基因混合使得红桑的物种纯度不断下降，甚至在分类上也出现了混乱，这让专家们都感到十分棘手。而且，红桑的生存范围也在不断缩小，在加拿大以及美国的多个州，它已经被列为濒危或受威胁物种。在这样的严峻形势下，深入研究红桑的基因组，探索其进化历史，寻找有效的保护策略，成为了刻不容缓的任务。
为了解开红桑的遗传谜团，来自南达科他州立大学（South Dakota State University）的研究人员挺身而出。他们聚焦于红桑的叶绿体基因组，开展了一系列深入研究。研究成果发表在《Scientific Reports》上，为我们认识红桑和整个桑树属提供了全新的视角。
研究人员采用了多种先进的技术方法。在样本采集方面，他们从美国八个不同州精心收集了 45 棵桑树的叶片样本，并通过严格的植物鉴定流程确保样本准确无误 。接着，利用 DNeasy? Plant Mini Kit 提取样本的总基因组 DNA，随后进行凝胶电泳和 Nanodrop 分光光度计定量检测。DNA 样本被送往专业机构进行文库制备和 Illumina HiSeq PE150 测序。测序完成后，运用 FastQC、Trimmomatic 和 MultiQC 等工具对序列质量进行评估和处理，再使用 GetOrganelle 进行叶绿体基因组的从头组装 。注释过程借助 GeSeq、Geneious Prime 等软件完成，还利用 REPuter 和 MISA 等在线工具对重复序列和简单序列重复（SSR）进行分析。此外，通过 PopART 构建单倍型网络，结合多种软件进行核苷酸多态性分析、系统发育分析和分歧时间分析等。
研究结果令人瞩目：
- 叶绿体基因组特征：红桑叶绿体基因组大小在 159,393 - 159,423 碱基对（bp）之间，呈现典型的四分体结构，包含 83 个蛋白质编码基因、8 个核糖体 RNA（rRNA）基因和 37 个转移 RNA（tRNA）基因。其基因组比白桑至少大 103 bp，整个基因组的 GC 含量为 36.1%。此外，还发现了 17 个含内含子的基因，以及多种重复序列和 SSR 标记23。
- 单倍型分析：对 45 个样本的叶绿体基因组进行分析后，共鉴定出 13 种不同的单倍型，其中 12 种为红桑特有。通过地理信息系统（GIS）分析发现，环境变量对红桑单倍型多样性没有显著影响45。
- 核苷酸多态性：经序列 divergence 分析，确定了多个具有高核苷酸多样性（Pi > 0.01）的基因区域，这些区域在开发区分红桑和白桑的分子标记方面具有巨大潜力67。
- 系统发育分析：桑树的系统发育分析显示，13 种桑树被分为四个不同的分支，分别对应亚洲、北美、南美和非洲的桑树，有力地支持了桑树属的单系起源。但亚洲分支内物种关系较为复杂，存在分类混淆的现象810。
- 分歧时间估计：研究表明，桑树属的共同祖先大约在 3867 万年前（MYA）开始分化，不同地区的桑树在不同时期逐渐分离。这一结果与化石记录相互印证，为研究桑树的进化历程提供了时间线索912。
研究结论和讨论部分意义重大。从叶绿体基因组的组成和特征来看，红桑与白桑存在明显差异，这些差异不仅体现在基因组大小上，还涉及重复序列、SSR 标记等方面，这为研究桑树的进化和分类提供了重要依据。在系统发育分析中，虽然桑树属呈现单系起源，但亚洲分支内物种的复杂关系反映出种间杂交和分类鉴定的困难，凸显了综合形态学和分子证据进行分类修订的紧迫性。分歧时间分析结合化石记录，为桑树的起源和演化提供了更清晰的脉络，也暗示了冰川作用等因素对桑树物种形成和遗传结构的深远影响。
总的来说，这项研究首次对濒危红桑的完整叶绿体基因组进行了测序和分析，为我们理解红桑的进化历史、解决桑树属的分类难题提供了关键数据。研究中发现的叶绿体 SSR 和串联重复序列，为种群遗传学和种间 DNA 指纹分析提供了有力工具，有助于准确识别红桑个体和杂种，对保护红桑的遗传完整性意义非凡。未来，扩大红桑样本采集范围，结合核标记和叶绿体数据进行综合研究，将为保护红桑和深入了解桑树属的进化提供更全面的视角。
