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昆明植物所揭示荨麻族质体基因组结构变异和族内系统发育关系

  广义荨麻族(Urticeae sensu lato)包括12属共220余种,是荨麻科(Urticaceae)一个中等大小的族。该族植物以其独特的刺毛以及药用、食用和纺织等经济价值而闻名,具有很高的研究价值。然而,由于前人研究在取样和分子标记等方面的局限性,我们对荨麻族内的系统发育关系仍知之甚少。 

  近日,中国科学院昆明植物研究所李德铢团队依托中国西南野生生物种质资源库,通过基因组浅层测序获得荨麻族中已知全部属的质体基因组,探讨了其大小和结构变异。研究发现,荨麻族植物的质体基因组为典型的被子植物四分体结构,大小在145~161 kb之间,编码110~112个基因。在质体结构方面,重点关注了反向重复序列(IR)的扩张和收缩,trnN-GUU基因的倒位,rps19基因和rpl2内含子的丢失,以及多种重复类型的出现等变异。该研究鉴定了未来可用于该族植物DNA条形码研究的11个高度变异区域,这些变异可应用于分类学、分子标记开发、群体遗传学和系统发育等方面的研究。 

  在此基础上,基于该族12属58种共90个个体的基因组浅层测序数据,组装了叶绿体基因组和核糖体大亚基(nrDNA)序列,并据此重建了荨麻族内部的系统发育关系。通过结合GenBank已公开的数据,一共获取了荨麻族12属130种植物的trnL-F和ITS序列开展了更大范围的系统发育关系重建分析。结果显示,叶绿体系统发育基因组学分析在很大程度上理清了荨麻族内的系统发育关系,支持该族为单系类群,并且发现该族除了艾麻属(Laportea)、Urera和荨麻属(Urtica)外,其余属均为单系。此外,分析结果也对以往有争议的分支有了清晰的阐明,即:(1)蝎子草属是Dendrocnide-Discocnide-Laportea-Nanocnide-Zhengyia-Urtica-Hesperocnide分支的姐妹类群;(2)锥头麻属是狭义Urera的姐妹类群。基于ITS和trnL-F序列构建的系统发育树支持率相对较低,但与叶绿体基因组和核糖体大亚基建树的结果基本一致。该研究明晰了基因组浅层测序在厘清荨麻族系统发育关系的潜力,为荨麻族系统发育关系重建提供了新证据,并为该族的生物地理学研究打下坚实基础。 

  该研究成果以Deep insights into the plastome evolution and phylogenetic relationships of the tribe Urticeae (family Urticaceae)为题在线发表于国际植物学期刊《植物科学前沿》(Frontiers in Plant Science)。中国科学院昆明植物研究所肯尼亚籍硕士研究生Catherine A. Ogoma为论文第一作者,吴增源副研究员和李德铢研究员为通讯作者。本研究得到了中国科学院B类先导专项(XDB31000000)、国家自然科学基金项目(31970356, 41571059, 41971071)和中国科学院青年创新促进会(2019385)等的资助。 

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图1 基于质体基因组和nrDNA构建的荨麻族系统发育关系 

  

图2 荨麻族质体基因组结构变异分析。A,荨麻族代表种和它们对应的重复类型(分散,回文,串联和SSR)之间的关联; B,串联、回文和分散重复出现的频率; C,6个SSR核苷酸的数量; D,荨麻族质体基因组中最丰富的7个SSR序列。

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