莎草科植物油莎草叶绿体基因组测序及系统发育分析揭示其入侵生物学特性

本研究首次完成莎草科植物油莎草（Cyperus eragrostis）叶绿体基因组测序（184,646 bp，GC含量33.3%），揭示其四分段结构特征（LSC/SSC/IR区）及132个功能基因分布。通过最大似然法（ML）构建的系统发育树显示该物种与异型莎草（C. difformis）亲缘最近，为莎草属（Cyperus）950个争议性分类群提供新的分子证据，并为入侵物种的cpDNA条形码开发及保护生物学研究奠定基础。

　　

Abstract

油莎草（Cyperus eragrostis）作为莎草科（Cyperaceae）第二大属的代表物种，其叶绿体基因组呈现典型的四分段结构：大单拷贝区（LSC，101,639 bp）、小单拷贝区（SSC，11,231 bp）及两个反向重复区（IR，各35,888 bp）。基因组注释发现87个蛋白编码基因（CDS）、37个tRNA和8个rRNA，其中24个基因位于IR区。特别值得注意的是，rps12基因呈现跨LSC-IR区的反式剪接特征，ndhA等10个基因存在内含子结构。

Introduction

莎草属（Cyperus）作为分类学争议焦点，目前约有950个分类单元存在多系群问题。研究团队采用新一代测序技术，通过叶绿体基因组（cpDNA）分析为厘清该属系统关系提供新工具。此前全球仅约20个莎草属cpDNA被测序，远不足以解决包含Alinula等12个归并属的复杂分类问题。

Materials and methods

样本采自韩国济州岛（33.51481°N），经硅胶干燥后使用Qiagen试剂盒提取DNA。Illumina MiSeq平台产生7,142,540条301 bp双端读长，通过GetOrganelle工具完成从头组装，GeSeq进行注释。系统发育分析选取20个物种（含3个薹草属Carex外群），基于75个保守CDS使用MAFFT比对，IQ-TREE在GTR+F+I+R6模型下构建ML树。

Results

基因组圈图显示GC含量呈现明显波动特征（图2）。功能基因中，ndhB等12个CDS与trnI-GAU等8个tRNA在IR区形成重复模块。系统发育树（图3）显示油莎草与异型莎草（C. difformis）形成高支持率分支（bootstrap>90%），而纸莎草（C. papyrus）位于基部分支。

Discussion and conclusion

该研究首次揭示油莎草cpDNA与异型莎草的高度相似性，为解释二者在入侵生态中的适应性进化提供线索。尽管当前数据仅覆盖莎草属1.7%的物种，但为开发特异性分子标记（如区分油莎草与C. glaber的叶脉特征相关标记）奠定基础。未来研究可结合群体基因组学，探究该入侵物种在朝鲜半岛的扩散路径。

Author contribution

团队采用CRediT贡献度标准，明确标注了基因组可视化（Eun Su Kang）、生物信息学分析（Sang-Chul Kim）、标本采集（Ju Eun Jang）和项目管理（Dong Chan Son）的具体分工。所有材料采集均符合《植物园法》规定，未涉及濒危物种。原始数据已存入NCBI（PQ874698）。