主题：【分享】【金秋计划】角蒿属药用植物叶绿体基因组比较及系统发育分析

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发表于：2024/09/08 18:42:19 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

叶绿体作为光合作用的细胞器，同时还兼具氨基酸、核苷酸、脂肪酸、植物激素、维生素等的生物合成功能，拥有独立完整的基因组，在陆地植物和藻类的生理、发育中发挥着重要作用^[1]。叶绿体基因组在被子植物中遵循母系遗传，序列较为保守，便于组装，同时携带大量自我调节的编码基因，是半自主性细胞器。相较于线粒体基因组和核基因组，叶绿体基因组在结构、基因数量和基因组成上更为保守，进化速率也相对适中^[2-3]。基于以上优势，叶绿体基因组在揭示物种起源、进化演变以及不同物种之间的亲缘关系等方面具有重要价值^[4]。近年来，叶绿体基因组已应用于羌活属^[5]、柴胡属^[6]、甘草属^[7]、芍药属^[8]及龙胆属^[9]等药用植物的分子标记和系统发育等研究，这推动了药用植物的分子鉴定和系统进化等研究进展，进一步促进了本草类基因组学的发展^[10]。

角蒿属两头毛亚属的两头毛Incarvillea arguta (Royle) Royle.、波罗花亚属的密生波罗花I. compacta Maxim.、黄波罗花I. lutea Bur. et Franch.、藏波罗花I. younghusbandii Sprague，以及角蒿亚属的角蒿I. sinensis Lam.均为紫葳科一年或多年生的草本药用植物，多分布在喜马拉雅山和东亚等地区。角蒿属植物在全世界约有15种，分布在我国云南西北部、四川西部、西藏及青海等地的就有11种^[11]。角蒿属植物作为传统的药用植物，多被用于治疗各种临床疾病。邹琼宇等^[12]提出，角蒿属植物中的单萜生物碱作为其特征化合物，具有较强的镇痛作用。除此之外，它们还有抗炎、抗贫血、抗癌等各种药理活性。而两头毛是各民族较为常用的中药，有抗炎、抗菌、防止胆石症等疗效^[13]。密生波罗花作为常见藏药，其根、花、种子均可入药^[14]，有理气止痛、平肝潜阳、清热除湿的功效，临床上可用于治疗胃痛、黄疸、消化不良、耳脓、月经不调、高血压、肺出血等症状。宋超等^[14]运用硅胶柱色谱法从密生波罗花中分离鉴定了1组以神经酰胺为主的混合物，发现密生波罗花神经酰胺具有显著的抗炎活性。同时，李伟博等^[15]发现密生波罗花中营养成分丰富且氨基酸种类齐全，具有很好的抗氧化活性，可作为天然抗氧化剂用于保健品的开发。黄波罗花入药部位为根部，具有滋补功效，同时它还有抗炎镇痛之疗效^[16]。藏波罗花与同亚属的密生波罗花、黄波罗花一道作为传统藏药材“欧曲”，可用于治疗消化不良、黄疸、高血压、肺出血等临床症状^[17]。

目前，关于角蒿属植物的研究主要集中于化学成分^[12-15]、药理活性^{[12-13, 16-17]}等方面，从比较基因组学角度阐述角蒿属药用植物叶绿体基因组的研究较少。同时，随着对角蒿属药用植物功效的深入研究，陆续挖掘出其不同的药用价值，但由于角蒿属植物形态和功效的相似以及种间变异错综复杂的原因，导致本草记载中常出现同名异物或同物异名的情况。因此对角蒿属药用植物的叶绿体基因组研究可作为本草基源考证的一个方法，为角蒿属物种分子鉴定、系统发育以及资源保护等研究提供一定的参考。
角蒿属植物在全世界约有15种，共4个亚属，其中分布在我国的角蒿属就有3个亚属：角蒿亚属、两头毛亚属和波罗花亚属^[11-12]。它们多集中分布于青藏高原和西南地区，而角蒿属在我国的这种集中的多样性爆发被认为是和早中新世发生青藏高原的隆起有关^[11]。本研究对角蒿属内5种药用植物的叶绿体基因组进行比较分析，5个物种的叶绿体基因组均为双链环状结构，由4部分组成，即SSC、LSC、IRa和IRb。角蒿属内5种药用植物的叶绿体基因组长度在150～162 kb，其中LSC长度在80～87 kb，SSC长度在8～21 kb，而2个相同的反向重复序列IRa和IRb的长度范围在23～35 kb，由此可见角蒿属植物的叶绿体基因组大小、基因组成等方面高度保守，其中造成角蒿属内药用植物叶绿体基因组大小存在差异的主要原因是SSC长度不一。对密生波罗花叶绿体基因组功能注释的76个基因主要分为4大类，与大部分物种的划分一致^{[22, 24, 35]}。重复序列在植物的叶绿体基因组中发挥着重要的进化作用。有研究发现它能促进叶绿体基因组发生基因重排，不仅能增加物种的遗传多样性，并且能提高物种的适应性^[38]。角蒿属内5种药用植物中，只有两头毛叶绿体基因组中的重复序列类型最多、数量最少，推测该物种与其他同属物种相比，发生基因重排的可能性更小，在进化上可能更为保守。同时SSRs分析表明，5种植物的SSRs类型多集中在单核苷酸重复，其中A/T重复最多，且多偏向于 T，该现象在桃属^[1]、山楂属^[40]等中也有报道，进一步印证在被子植物中的SSRs主要是由polyA和polyT组成。角蒿属内5种药用植物叶绿体基因组的变异程度存在差异，两头毛在进化上最为保守，而黄波罗花叶绿体基因组序列变异程度最大。叶绿体全基因组变异分析及IR区的收缩或扩张分析都表明藏波罗花和密生波罗花叶绿体基因组的序列相似性较高，并且两者的边界基因类型差异不大，可能是因为亲缘关系更近的物种在边界基因类型方面表现出较高的相似性，这与王孟豪等^[41]的研究结果相似。共线性分析表明两头毛和黄波罗花的叶绿体基因组未发生基因重排，其余3种植物叶绿体基因组中基因的排列顺序差异较大。同时比较波罗花亚属内的3个物种，发现它们种间基因的排列顺序差异较大，推断这可能与它们分布的不同海拔范围有关。黄波罗花主要分布在海拔2 000～3 350 m高山草坡或混交林下；藏波罗花生长在海拔4 000～5 000 m的高山沙质草甸及山坡砾石垫状灌丛中；密生波罗花分布的海拔范围在2 600～4 100 m。与密生波罗花、黄波罗花相比，藏波罗花的生境更干、更寒冷，推测藏波罗花更能适应极端环境，该观点与张亚颖等^[21]的观点一致。而造成波罗花亚属内的 3 种植物叶绿体基因组中基因排列顺序的差异可能是与青藏高原发生隆起后，角蒿属内各物种为适应各自环境而发生适应性变异有关^[42]。选择压力分析结果表明密生波罗花与4个近缘物种的叶绿体基因组中的蛋白编码基因受到的选择不同。大部分与光合作用、ATP合酶相关的关键基因。例如，rps2基因在棉属^[43]的叶绿体基因组中检测发现也受到了强烈正选择，在植物叶绿体核糖体合成过程中有重要作用，而rps2基因在拟南芥^[44]、东乡野生稻^[45]中作为抗性基因被广泛研究。而一些与光系统、遗传系统相关的基因，如atpA、atpB、atpE、atpI均受到纯化选择，该研究结果与刘巧珍等^[34]的结果一致。纯化选择是最普遍的自然选择机制，大部分叶绿体基因的纯化选择可能是维持其适应性状的进化结果^[46]。系统发育分析的结果表明密生波罗花和藏波罗花的亲缘关系最近，与两头毛的亲缘关系最远。在形态学方面，密生波罗花和藏波罗花都是矮小的宿根草本植物，花萼均为钟状，花色相近，其叶为回羽状复叶，聚生于茎基部。根均为肉质，粗壮。蒴果都是具有明显特征的长披针形，且都具四棱^{[11, 16]}。陈绍田等^[47]对角蒿属14个种的花粉进行扫描电镜观察，发现密生波罗花和藏波罗花的花粉形态、大小及表面纹饰都极为相似，且两者的萌发孔均有8沟；在遗传学方面，前期本课题组^[21]基于叶绿体基因组序列估计藏波罗花与同属物种分化时间的研究表明，藏波罗花和密生波罗花的亲缘关系最近，其分化时间可以追溯到4.66百万年前。本研究为之后角蒿属内植物的亲缘关系确定、遗传多样性研究提供了理论依据，同时为该属物种鉴定及进一步探索个体水平的遗传差异分析提供理论基础。本研究通过对密生波罗花叶绿体基因组进行测序、组装及注释，并结合同属4个物种的叶绿体基因组进行比较分析，阐述了其变异程度及系统发育关系。结果显示，密生波罗花叶绿体基因组表型出典型的环状四分体结构，总长度为150 154 bp，GC含量为40%，注释得到了119个基因。比较分析结果表明，5种角蒿属药用植物在叶绿体基因组结构特征方面较为保守，但其变异程度存在差异，其中波罗花亚属的变异程度比其他两个亚属的变异程度高，而两头毛在进化上最为保守；密生波罗花与藏波罗花的亲缘关系最近。以期对角蒿属物种分子鉴定、系统发育以及资源保护等研究提供一定的参考。

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