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AR/解析淫羊藿属物种分类与进化机制

文章来源: 作者: 发布时间:2021年07月13日 点击数:
2021年6月,中国医学科学院药用植物研究所庞晓慧研究组联合中国中医科学院中药研究所陈士林团队在Journal of Advanced Research杂志在线发表了题为“Plastid genome data provide new insights into the phylogeny and evolution of the genus Epimedium”的研究论文。Journal of Advanced Research(J. Adv. Res.)杂志是由Cairo University出版的综合性期刊(IF=10.479)。该期刊主要发表医学、药学、生物学等学科领域的高质量文章。研究人员首次基于淫羊藿属32个物种的45个叶绿体基因组对该属的系统发育关系、属下分类评估、分歧时间和祖先性状演化进行了全面研究,为淫羊藿属的系统发育和进化提供了新的见解,有助于解决该属的分类学难题,进而为淫羊藿中药的准确鉴定及安全用药提供依据。该论文是本草基因组学的又一成功研究案例。郭梦月、庞晓慧为共同第一作者;庞晓慧、陈士林为共同通讯作者。
 
淫羊藿属Epimedium L.为小檗科Berberidaceae多年生草本,该属中多种植物具有重要的药用价值。淫羊藿属是公认的分类极为复杂的属之一,该属的系统发育关系和属下物种分类一直都是研究的热点和难点。中国是淫羊藿属的分布中心和多样性中心,该属约80%的种类产于中国中部至东南部。研究团队基于Illumina Hiseq X Ten(Illumina,San Diego,CA,美国)测序平台获得淫羊藿属物种的叶绿体基因组序列。基于叶绿体基因组对淫羊藿属的系统发育关系、属下分类评估、分歧时间和祖先性状演化进行了系统研究。
淫羊藿属叶绿体基因组的长度为156,635 bp-159,956 bp,平均GC含量约为38.8%。基因总数为112,包括78个蛋白编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因。基因组比较分析结果显示淫羊藿属叶绿体基因组具有高度保守性,不同物种叶绿体基因组相似性极高(99.0~99.9%)。叶绿体基因组中没有重排现象,呈现出共线性关系。淫羊藿属叶绿体基因组大小的差异主要归因于IR区范围的差异。根据IR/LSC区边界的差异,淫羊藿属叶绿体基因组被划分为四种类型。I型出现在sect. Macroceras中,其 IRA/LSC边界在rpl23基因编码区内。II、III和IV型出现在sect. Diphyllon中,其IR区向LSC区扩展了约0.5~3.3 k,IRA/LSC边界分别扩展到rps3、rpl22和rpl2基因的编码区内。淫羊藿叶绿体基因组的非编码区变异高于编码区,高变异区集中在IGS区。研究发现4个区域比其他区域具有更高的Pi值(Pi > 0.005),即psbC-trnS-psbZ、ndhF-rpl32-trnL、accD-psaI和ndhD-psaC。以上筛选到的4个高变异区包含丰富的变异信息,可作为鉴定淫羊藿属物种的潜在DNA条形码。
 
淫羊藿属物种叶绿体基因组IR/SC边界比较
分别基于叶绿体全基因组序列、77个蛋白编码基因的CDS序列和非编码序列构建的ML和BI系统发育树支持sect. Macroceras和sect. Diphyllon的姐妹关系,不支持sect. Diphyllon的进一步分系。Sect. Diphyllon被分为两个具有较高支持率的进化枝,在每个进化枝中,不同系的物种混聚在一起。研究人员进一步发现地理格局(geographic pattern)在某种程度上更好地解释了系统发育树的拓扑结构,表现为获得良好支持率的一些子分支来源于共同的地理区域。
花的形态特征对淫羊藿属的分类具有重要价值。研究人员选取了两种具有重要分类意义的形态学性状(花瓣形状和花直径)进行祖先性状重建。结果表明长距型是祖先形态性状,花瓣形状从长距型过渡到其他类型,并且没有逆转回到长距型。此外,花直径祖先形态重建结果表明大花类群(花瓣长于内萼片,直径 > 1 cm)是淫羊藿属的祖先形态性状。基于77个蛋白编码基因的CDS序列估计了小檗科主要进化枝的分化时间。结果表明温哥华属和淫羊藿属的分歧发生在中新世晚期(~6.59 Ma),中国淫羊藿属物种在更新世早期发生分化(~2.11 Ma)。sect. Diphyllon(~1.14 Ma)的分歧时间比sect. Macroceras的朝鲜淫羊藿(~0.06 Ma)稍早一些。
 
基于花瓣形状和花直径的淫羊藿属祖先形态性状重建
淫羊藿为我国传统的补益中药,现代中药药理学研究表明淫羊藿具有良好的补肝肾、强筋骨、祛风湿、抗衰老、提高免疫力、抑制肿瘤等药理作用。淫羊藿属种内变异广泛,分类极为复杂,鉴定困难,研究其属下物种分类及系统进化具有重要意义。随着本草基因组学研究的发展,本草遗传信息快速增加,为药用模式生物、道地药材研究、基因组辅助育种、中药合成生物学、DNA 鉴定、基因数据库构建等提供理论基础和技术支撑。该研究通过高通量测序及生物信息学分析,从基因组水平阐释淫羊藿属物种分类与进化机制,同时筛选了该属物种的高变异区,将为解决该属物种分类鉴定难题提供理论依据。
原文链接: https://doi.org/10.1016/j.jare.2021.06.020
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