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AR/解析淫羊藿屬物種分類與進化機制

文章來源: 作者: 發布時間:2021年07月13日 點擊數:
2021年6月,中國醫學科學院藥用植物研究所龐曉慧研究組聯合中國中醫科學院中藥研究所陳士林團隊在Journal of Advanced Research雜志在線發表了題為“Plastid genome data provide new insights into the phylogeny and evolution of the genus Epimedium”的研究論文。Journal of Advanced Research(J. Adv. Res.)雜志是由Cairo University出版的綜合性期刊(IF=10.479)。該期刊主要發表醫學、藥學、生物學等學科領域的高質量文章。研究人員首次基于淫羊藿屬32個物種的45個葉綠體基因組對該屬的系統發育關系、屬下分類評估、分歧時間和祖先性狀演化進行了全面研究,為淫羊藿屬的系統發育和進化提供了新的見解,有助于解決該屬的分類學難題,進而為淫羊藿中藥的準確鑒定及安全用藥提供依據。該論文是本草基因組學的又一成功研究案例。郭夢月、龐曉慧為共同第一作者;龐曉慧、陳士林為共同通訊作者。
 
淫羊藿屬Epimedium L.為小檗科Berberidaceae多年生草本,該屬中多種植物具有重要的藥用價值。淫羊藿屬是公認的分類極為復雜的屬之一,該屬的系統發育關系和屬下物種分類一直都是研究的熱點和難點。中國是淫羊藿屬的分布中心和多樣性中心,該屬約80%的種類產于中國中部至東南部。研究團隊基于Illumina Hiseq X Ten(Illumina,San Diego,CA,美國)測序平臺獲得淫羊藿屬物種的葉綠體基因組序列。基于葉綠體基因組對淫羊藿屬的系統發育關系、屬下分類評估、分歧時間和祖先性狀演化進行了系統研究。
淫羊藿屬葉綠體基因組的長度為156,635 bp-159,956 bp,平均GC含量約為38.8%。基因總數為112,包括78個蛋白編碼基因、30個tRNA基因和4個rRNA基因。基因組比較分析結果顯示淫羊藿屬葉綠體基因組具有高度保守性,不同物種葉綠體基因組相似性極高(99.0~99.9%)。葉綠體基因組中沒有重排現象,呈現出共線性關系。淫羊藿屬葉綠體基因組大小的差異主要歸因于IR區范圍的差異。根據IR/LSC區邊界的差異,淫羊藿屬葉綠體基因組被劃分為四種類型。I型出現在sect. Macroceras中,其 IRA/LSC邊界在rpl23基因編碼區內。II、III和IV型出現在sect. Diphyllon中,其IR區向LSC區擴展了約0.5~3.3 k,IRA/LSC邊界分別擴展到rps3、rpl22和rpl2基因的編碼區內。淫羊藿葉綠體基因組的非編碼區變異高于編碼區,高變異區集中在IGS區。研究發現4個區域比其他區域具有更高的Pi值(Pi > 0.005),即psbC-trnS-psbZ、ndhF-rpl32-trnL、accD-psaI和ndhD-psaC。以上篩選到的4個高變異區包含豐富的變異信息,可作為鑒定淫羊藿屬物種的潛在DNA條形碼。
 
淫羊藿屬物種葉綠體基因組IR/SC邊界比較
分別基于葉綠體全基因組序列、77個蛋白編碼基因的CDS序列和非編碼序列構建的ML和BI系統發育樹支持sect. Macroceras和sect. Diphyllon的姐妹關系,不支持sect. Diphyllon的進一步分系。Sect. Diphyllon被分為兩個具有較高支持率的進化枝,在每個進化枝中,不同系的物種混聚在一起。研究人員進一步發現地理格局(geographic pattern)在某種程度上更好地解釋了系統發育樹的拓撲結構,表現為獲得良好支持率的一些子分支來源于共同的地理區域。
花的形態特征對淫羊藿屬的分類具有重要價值。研究人員選取了兩種具有重要分類意義的形態學性狀(花瓣形狀和花直徑)進行祖先性狀重建。結果表明長距型是祖先形態性狀,花瓣形狀從長距型過渡到其他類型,并且沒有逆轉回到長距型。此外,花直徑祖先形態重建結果表明大花類群(花瓣長于內萼片,直徑 > 1 cm)是淫羊藿屬的祖先形態性狀。基于77個蛋白編碼基因的CDS序列估計了小檗科主要進化枝的分化時間。結果表明溫哥華屬和淫羊藿屬的分歧發生在中新世晚期(~6.59 Ma),中國淫羊藿屬物種在更新世早期發生分化(~2.11 Ma)。sect. Diphyllon(~1.14 Ma)的分歧時間比sect. Macroceras的朝鮮淫羊藿(~0.06 Ma)稍早一些。
 
基于花瓣形狀和花直徑的淫羊藿屬祖先形態性狀重建
淫羊藿為我國傳統的補益中藥,現代中藥藥理學研究表明淫羊藿具有良好的補肝腎、強筋骨、祛風濕、抗衰老、提高免疫力、抑制腫瘤等藥理作用。淫羊藿屬種內變異廣泛,分類極為復雜,鑒定困難,研究其屬下物種分類及系統進化具有重要意義。隨著本草基因組學研究的發展,本草遺傳信息快速增加,為藥用模式生物、道地藥材研究、基因組輔助育種、中藥合成生物學、DNA 鑒定、基因數據庫構建等提供理論基礎和技術支撐。該研究通過高通量測序及生物信息學分析,從基因組水平闡釋淫羊藿屬物種分類與進化機制,同時篩選了該屬物種的高變異區,將為解決該屬物種分類鑒定難題提供理論依據。
原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.jare.2021.06.020
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