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Hortic Adv | 群体遗传学研究解析芸香科植物叶绿体基因组演化 | 转载

花匠小妙招
2025-12-08 03:34

近日，Horticulture Advances在线发表了华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室柑橘研究团队郭文武教授课题组题为“Insights into chloroplast genome evolution in Rutaceae through population genomics（群体遗传学研究解析芸香科植物叶绿体基因组演化）”的研究论文。

关键词：

Chloroplast genome

Negative selection

Diversification

Rutaceae

文章亮点

该研究利用509份芸香科植物的二代重测序数据，从头组装了343个叶绿体基因组，构建了芸香科叶绿体基因组变异图谱，研究了芸香科物种之间的亲缘关系，叶绿体基因组的扩张收缩以及基因的受选择情况。

研究背景

叶绿体是真核自养生物特有的一种半自主细胞器，拥有自身的遗传物质。除光合作用外，叶绿体还在激素合成、脂质代谢、能量代谢等过程中发挥着至关重要的作用。本课题组组长期以来采用细胞融合技术创制出一批优良的柑橘新种质，前人研究表明细胞融合后代的叶绿体随机遗传自亲本之一，叶绿体对胞质杂种后代的性状影响尚不明确。随着测序技术发展，目前已有大量芸香科植物基因组测序数据被释放，为芸香科叶绿体研究提供了丰富的数据资源，芸香科叶绿体基因组研究有助于深化对柑橘类植物叶绿体基因多样性和进化的理解，指导细胞工程育种的亲本选配。

研究过程及结果

本研究通过对509个芸香科物样本的重测序分析，构建了芸香科植物叶绿体基因组变异图谱。共鉴定出11,580个SNP、2,481个InDel以及125个结构变异。其中，78.55%变异位于大单拷贝区，20.56%位于小单拷贝区，仅0.89%的变异位于2个反向重复区。同时，大部分变异（83.89%）发生在非编码区（图1）。

图1 509份芸香科叶绿体基因组变异信息挖掘

为了理清芸香科不同种属之间的遗传关系，本研究进行了叶绿体群体遗传学相关分析。系统发育树揭示了柑橘属在自然杂交和育种改良中的广泛杂交现象。主成分分析将509份样本的叶绿体基因组分为3类：花椒属（cluster1）；蚝壳刺属、黄皮属和九里香属（cluster2）以及柑橘属、枳属和金柑属（cluster3），cluster3物种的叶绿体遗传多样性显著低于cluster1和cluster2物种，群体间分歧度显示cluster2和cluster3之间的遗传分化较小（图2）。叶绿体单倍型网络结果表明，因长期的无性繁殖，甜橙叶绿体基因组变异较少，其中63.27%的甜橙叶绿体为同一个单倍型。

图2 芸香科植物叶绿体基因群体结构分析

为了研究芸香科叶绿体基因组大小的扩张收缩机制，本研究对509个样本的叶绿体基因组进行了组装，其中343个样本组装成环状基因组，结合NCBI已发表的34个叶绿体基因组，共分析了包括17个物种在内的378个基因组。芸香科植物叶绿体基因组大小介于157,339-161,204 bp之间，平均大小为159,760 bp。芸香科中存在明显的扩张和收缩现象，叶绿体基因组大小主要来自大单拷贝区的长度变化，与小单拷贝区域大小成正相关，而与反向重复区域大小成负相关（图3）。

图3 芸香科植物叶绿体基因组大小和GC含量变化

为了进一步研究叶绿体基因的进化，本研究发现，尽管芸香科植物叶绿体基因数量非常保守，观察到了infA基因的大量丢失，ycf1基因变异最多。通过计算81个蛋白编码基因的非同义替换率（dN）、同义替换率（dS）及其比值，表明大部分基因受到负向选择，rps16基因受到正向选择，NADH功能途径的基因表现出较高的变异率，而PSA和PSB功能途径的基因则更为保守（图5）。

图5 芸香科叶绿体蛋白编码基因的选择压力分析

总结展望

本研究基于芸香科植物大规模重测序数据，构建了芸香科叶绿体基因组变异图谱，研究了芸香科物种之间的叶绿体亲缘关系，以及叶绿体基因组大小的变异规律、基因受选择情况，并讨论了影响基因变异的遗传因素。为柑橘属叶绿体基因功能研究、分子标记开发及细胞工程育种提供了理论基础。

作者和资助项目简介

课题组已毕业博士李超超（现为中国热带农业科学院博士后）为该论文第一作者，郭文武教授为该论文通讯作者。中国农业科学院农业基因组研究所周永锋研究员以及华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室伍小萌教授、解凯东副教授和硕士生包逸等参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金（U23A20203）、华中农业大学与中国农业科学院农业基因组研究所合作研发项目（SZYJY2022009）和国家柑橘产业技术体系项目（CARS-26）的资助。

文章信息

标题：

Insights into chloroplast genome evolution in Rutaceae through population genomics

作者：

Chao-Chao Li, Yi Bao, Ting Hou, Jia-Cui Li, Zhi-Yao Ma, Nan Wang, Xiao-Meng Wu, Kai-Dong Xie, Yong-Feng Zhou & Wen-Wu Guo

Doi号：

https://doi.org/10.1007/s44281-024-00032-9

引用信息：

Li, CC., Bao, Y., Hou, T. et al. Insights into chloroplast genome evolution in Rutaceae through population genomics. HORTIC. ADV. 2, 13 (2024). https://doi.org/10.1007/s44281-024-00032-9