摘要:為探討木槿屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,明確爭(zhēng)議類(lèi)群的分類(lèi)學(xué)地位。本研究對(duì)吊燈扶桑(Hibiscus schizopetalus)完整葉綠體基因組進(jìn)行了測(cè)序組裝,并從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載已公布的木槿屬及近緣類(lèi)群葉綠體基因組。使用DnaSP、MrBayes和MCMCtree等生物信息學(xué)軟件探究木槿屬葉綠體基因組進(jìn)化特征與系統(tǒng)發(fā)育上的爭(zhēng)議。結(jié)果表明吊燈扶桑葉綠體基因組具有四分區(qū)結(jié)構(gòu),共包含130個(gè)基因,檢測(cè)到275個(gè)SSR,蛋白編碼基因表現(xiàn)出密碼子偏好性。木槿屬植物葉綠體基因組保守性高,邊界穩(wěn)定,未檢測(cè)到重排。篩選出18個(gè)高變基因和3個(gè)高度保守基因。重建的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系不支持將木棉科劃分入錦葵科或木槿屬。木槿屬與木棉科間遺傳距離較小且親緣關(guān)系較近,為理解形態(tài)相似性提供了新的視角。本研究為理解木槿屬植物的系統(tǒng)演化、遺傳多樣性保護(hù)及分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)提供了重要參考。
關(guān)鍵詞:吊燈扶桑;葉綠體基因組;木槿屬;系統(tǒng)發(fā)育;分歧時(shí)間
中圖分類(lèi)號(hào):S567.23+9 """""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A """""""文章編號(hào):1007-0435(2025)03-0748-18
Chloroplast Genomic Characteristics of Hibiscus schizopetalus and Phylogenetic Relationships of Hibiscus
ZHOU Quan1,2,3,"WANG Lu-yao1,"YUAN Qing1,"ZHENG Xue-mei4,"LIU Hai-rui1*
(1.College of Eco-Environmental Engineering,"Qinghai University,"Xining,"Qinghai Province 810016,"China;"2.Institute of Hydrobiology,"Chinese Academy of Sciences,"Wuhan,"Hubei Province 430072,"China;"3.University of Chinese Academy of Sciences,"Beijing 100049,"China;"4.Qinghai National Park Research Monitoring and Evaluation Center,"Xining,"Qinghai Province 810000,"China)
Abstract:To explore the phylogenetic relationships of Hibiscus"and clarify the taxonomic status of disputed groups,"the complete chloroplast genome of Hibiscus schizopetalus"was sequenced and assembled,"and the published chloroplast genomes of Hibiscus"genus and its closely related taxa were downloaded from the NCBI database in this study. Bioinformatics software such as DnaSP,"MrBayes,"and MCMCtree were used to explore the evolutionary characteristics of the chloroplast genomes of Hibiscus"and the controversy in phylogeny. The results showed that the chloroplast genome of H. schizopetalus"has a typical four-partition structure,"including 130 genes,"with 275 SSRs detected,"and protein-coding genes showing codon bias. The chloroplast genomes of Hibiscus"are highly conserved,"with stable boundaries and no detected rearrangements. Eighteen highly variable genes and three highly conserved genes were screened. The reconstructed phylogenetic relationships did not support the classification of Bombacaceae into Malvaceae or into Hibiscus. There is a small genetic distance and close phylogenetic relationship between Hibiscus"and Bombacaceae,"providing a new perspective for understanding their morphological similarities. This study provides important references for understanding the phylogeny,"genetic diversity conservation,"and molecular marker development of Hibiscus.
Key words:Hibiscus schizopetalus;Chloroplast Genome;Hibiscus;Phylogeny;Divergence time
吊燈扶桑(Hibiscus schizopetalus)隸屬于錦葵科(Malvaceae)木槿屬(Hibiscus L.),為常綠直立灌木,在中國(guó)臺(tái)灣、福建等地廣泛栽培,原產(chǎn)東非熱帶[1]。木槿屬全屬200余種植物[1],Flora of China記載我國(guó)有25種,在我國(guó)南北方廣泛分布[1-2]。該屬主要分布于低緯度地區(qū),但是中高緯度地區(qū)也分布有個(gè)別物種[3]。有學(xué)者推斷我國(guó)為木槿屬重要的起源地之一[4]。中國(guó)特有木槿屬植物12種[5],而吊燈扶桑(H.schizopetalus)、美麗芙蓉(H.indicus)、大麻槿(H.cannabinus)、紅秋葵(H.coccineus)為引進(jìn)栽培種[6]。另外,木槿屬3個(gè)種在Flora of China和《中國(guó)被子植物科屬綜論》均無(wú)記載[5-6],分別是海濱木槿(H. hamabo)(由黃槿屬的Talipariti hamabo更名)[7]、墨脫木槿(H.fragrans)[8]和洋槿(H.vidalianus)[9]。木芙蓉(H.mutabilis)、木槿(H.syriacus)、朱槿(H.rosa-sinensis)和吊燈扶桑等大部分木槿屬物種具大型花冠和鮮艷花色,是我國(guó)重要的園林觀賞植物[10]。同時(shí),部分物種在藥品行業(yè)、食品行業(yè)和輕工業(yè)領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力[11]。例如,玫瑰茄(H.sabdariffa)俗稱(chēng)洛神花,花萼可制作果醬,果實(shí)有止咳作用可入藥,是重要的藥食一體的經(jīng)濟(jì)作物[12];木槿的皮層纖維豐富發(fā)達(dá),是重要的紡織品與紙制品原料[13];海濱木槿等木本物種抗性較強(qiáng),具有耐寒、耐旱、耐鹽堿等特性,是我國(guó)瘠薄山地的造水保林良好樹(shù)種[14]。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)木槿屬系統(tǒng)發(fā)育、進(jìn)化與起源的相關(guān)研究主要集中于形態(tài)學(xué)[4;15-19]、細(xì)胞遺傳學(xué)[20]及孢粉學(xué)[21]方面,而基于分子生物學(xué)[22-23]手段的研究相對(duì)較少。鑒于木槿屬植物在形態(tài)學(xué)上與木棉科的植物具有相似性,Edlin[15]建議將木槿屬歸于木棉科(Bombacaceae)?!吨袊?guó)被子植物科屬綜論》[6]同樣基于形態(tài)學(xué)特征指出了關(guān)于木槿屬歸屬上的爭(zhēng)議,提到“錦葵科沒(méi)有了大屬木槿屬則將像一匹沒(méi)有尾巴的馬”,但并沒(méi)有對(duì)木槿屬是否可以劃入木棉科進(jìn)行深入研究。其次,Hutchinson[17]認(rèn)為木槿屬是錦葵科中數(shù)量最多、類(lèi)型最豐富的屬,因此不贊成將木槿屬?gòu)腻\葵科中分離并歸入木棉科。此外,對(duì)于該類(lèi)群的階元?jiǎng)澐?,?dāng)前存在的問(wèn)題之一是錦葵科與木棉科之間的關(guān)系[5]。基于形態(tài)學(xué)特征,有研究認(rèn)為木棉科應(yīng)該包括在錦葵科之中,但針對(duì)該類(lèi)群的分類(lèi)學(xué)地位依舊與《中國(guó)植物志》[1]保持了一致,系統(tǒng)發(fā)育上的爭(zhēng)議至今未得到充分解釋。
當(dāng)前,應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行的木槿屬植物分類(lèi)與系統(tǒng)發(fā)育的相關(guān)研究主要聚焦于木槿和朱槿等個(gè)別物種,缺乏對(duì)于整個(gè)木槿屬植物系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系的全面研究報(bào)道[11]。葉綠體基因組由于其較小的基因組長(zhǎng)度、較高的復(fù)制數(shù)量和更易于獲取完整序列等特性備受關(guān)注[24]。葉綠體基因組往往呈現(xiàn)單親遺傳模式,避免了基因重組等復(fù)雜的遺傳模式[25],其進(jìn)化速率適中,且不同區(qū)域進(jìn)化速度存在差異[25]。這些特性使得葉綠體基因組適合用于不同階元的系統(tǒng)發(fā)育研究,因此其在系統(tǒng)發(fā)育、物種鑒定和譜系地理等方面得到了廣泛應(yīng)用[26-27]。Takayama等[28]曾對(duì)木槿屬物種的起源與分化過(guò)程進(jìn)行了推測(cè),認(rèn)為木槿屬植物為異源多倍體,且基因組的雜合度與重復(fù)率較高。宋娟娟等[20]也對(duì)3種木槿屬的核型進(jìn)行了分析,表明木槿屬植物染色體數(shù)量多,基因組大。盡管全基因組攜帶的遺傳信息量遠(yuǎn)超葉綠體基因組,然而全基因組的測(cè)序工作面臨一些顯著障礙,例如昂貴的測(cè)序成本、木槿屬植物染色體數(shù)量多、雜合性高和重復(fù)比例高。因此基于葉綠體基因組的木槿屬系統(tǒng)進(jìn)化研究能使木槿屬植物在物種分類(lèi)與系統(tǒng)進(jìn)化方面取得新的進(jìn)展。公共數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)積累也使得低成本地進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系的研究成為可能,這對(duì)于探究木槿屬物種間的親緣關(guān)系與解釋木槿屬與木棉科親緣關(guān)系的爭(zhēng)議上有重要幫助。
近年來(lái),大麻槿[29]、朱槿[30]、木槿[31]、臺(tái)灣芙蓉[32]、海濱木槿[23]的葉綠體基因組被先后報(bào)道,但針對(duì)木槿屬內(nèi)系統(tǒng)發(fā)育的研究卻相當(dāng)有限,不僅研究數(shù)量稀少,而且涵蓋的物種也較為有限。迄今為止,尚未出現(xiàn)一項(xiàng)既全面又包含大量木槿屬物種的、使用分子生物學(xué)方法進(jìn)行的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系研究。李鎮(zhèn)兵等[23]對(duì)木槿屬物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進(jìn)行了探究,但其研究中僅涉及了4個(gè)木槿屬物種,且沒(méi)有對(duì)木棉科與木槿屬的歸屬爭(zhēng)議進(jìn)行解釋。此外,Abdullah等[30]對(duì)3個(gè)錦葵科不同屬的物種葉綠體基因組進(jìn)行了測(cè)序和比較,其研究主要集中在科階元的系統(tǒng)發(fā)育上。Cheng等[29]使用36個(gè)錦葵科葉綠體基因組探究了錦葵科系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,研究中包含了32個(gè)棉屬(Gossypium)物種、2個(gè)木槿屬物種、1個(gè)黃槿屬(Talipariti)物種和1個(gè)秋葵屬(Abelmoschus)物種,但并未涉及木棉科與木槿屬的歸屬關(guān)系探討。基于形態(tài)學(xué)特征,大麻槿和木槿被認(rèn)為具有較近的親緣關(guān)系。Cheng等[29]基于葉綠體基因組構(gòu)建的錦葵科植物的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)表明,相較于木槿,大麻槿與海濱木槿、咖啡黃葵(Abelmoschus esculentus)有著更近的親緣關(guān)系。
本研究旨在探討木槿屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,豐富該類(lèi)群的遺傳信息資源,主要研究?jī)?nèi)容如下:首先從多個(gè)角度解析吊燈扶桑葉綠體基因組結(jié)構(gòu)特征與密碼子使用偏好;其次,針對(duì)木槿屬系統(tǒng)發(fā)育上的爭(zhēng)議,著重探討木槿屬與木棉科的歸屬問(wèn)題;最后,探究木槿屬葉綠體基因組進(jìn)化特征。
1 材料與方法
1.1 吊燈扶桑葉綠體基因組特征探究
1.1.1 吊燈扶桑葉綠體基因組測(cè)序、組裝和注釋 利用改良的CTAB法,從吊燈扶桑的葉片中提取總DNA,隨后進(jìn)行了PCR擴(kuò)增和測(cè)序文庫(kù)的構(gòu)建。使用Illumina NovaSeq 6000平臺(tái)對(duì)基于總DNA構(gòu)建的測(cè)序文庫(kù)進(jìn)行雙端測(cè)序,每端各測(cè)150 bp(Pair End 150 bp;"PE 150)。測(cè)序完成后,使用fastp v0.20.0軟件[33]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量判斷并進(jìn)行過(guò)濾。基于過(guò)濾后的clean data,運(yùn)用GetOrganelle v1.7.7.0軟件[34],使用k-mer=21,45,65,85,105進(jìn)行吊燈扶桑完整葉綠體基因組組裝。
為確保注釋的精準(zhǔn)度,采用兩種不同的方法來(lái)對(duì)吊燈扶桑的葉綠體基因組進(jìn)行詳細(xì)注釋。首先,利用prodigal v2.6.3、hmmer v3.1b2和aragorn v1.2.38[35-37]工具對(duì)CDS、rRNA和tRNA進(jìn)行識(shí)別和注釋?zhuān)@得第一種注釋結(jié)果。其次,根據(jù)NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)已公布的木槿屬植物葉綠體基因組為參考,使用BLAST v2.6[38]和GeSeq在線平臺(tái)[39](https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/geseq.html)進(jìn)行比對(duì)注釋?zhuān)玫搅硗庖环N注釋結(jié)果。為確保獲得高質(zhì)量的注釋結(jié)果,對(duì)照核查兩種不同注釋結(jié)果之間存在的分歧,修正啟動(dòng)子與終止子的錯(cuò)誤與冗余的注釋信息,并確定外顯子邊界。最后使用sequin v10.1軟件進(jìn)行校驗(yàn),從而獲得最終的基因注釋結(jié)果。
1.1.2 SSR篩選 使用MISA(https://webblast.ipk-gatersleben.de/misa/)在線工具[40]進(jìn)行吊燈扶桑葉綠體基因組中的SSR鑒定。分析參數(shù)配置如下:對(duì)于完全的單核苷酸重復(fù),最小重復(fù)次數(shù)設(shè)定為8次;二核苷酸重復(fù)的最小次數(shù)設(shè)為5次;三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸和六核苷酸重復(fù)的最小次數(shù)均設(shè)為3次。此外,規(guī)定兩個(gè)SSR之間的最短間隔距離為100 bp;如果兩個(gè)SSR之間的距離小于100 bp,它們將被視為復(fù)合微衛(wèi)星序列,在本研究中,將復(fù)合微衛(wèi)星序列忽略。
1.1.3 密碼子偏好性研究 計(jì)算長(zhǎng)度大于300 bp的蛋白編碼基因(多拷貝基因僅保留一個(gè))的密碼子總數(shù)(Number of Codons,"codon No.)、密碼子不同位置的GC含量、各基因整體GC含量、有效密碼子數(shù)量(Effective Number of Codons,"ENC)以及同義密碼子的相對(duì)使用頻率(Relative Synonymous Codon Usage,"RSCU)。其中,密碼子第一位、第二位和第三位的GC含量分別標(biāo)注為GC1、GC2和GC3,各基因整體GC含量標(biāo)注為GC_all。根據(jù)ENC值和RSCU等指標(biāo)篩選出最優(yōu)密碼子并進(jìn)行蛋白編碼基因的中性繪圖分析(Neutral-plot Analysis,"Neutral-plot)、奇偶偏好分析(Parity Rule 2 Analysis,"PR2-plot)以及有效密碼子數(shù)分析(Effective Number of Codons Analysis,"ENC-plot)[41]。通過(guò)多項(xiàng)分析手段深入探究密碼子使用的偏倚性及其對(duì)翻譯效率可能的影響。
1.2 木槿屬葉綠體基因組特征比較
1.2.1 數(shù)據(jù)獲取 在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載木槿屬物種葉綠體基因組數(shù)據(jù)用于后續(xù)木槿屬葉綠體基因組特征的比較分析、系統(tǒng)發(fā)育分析和進(jìn)化分析,在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載的8種木槿屬植物完整葉綠體基因組序列如表1所示。為保證研究結(jié)果的可靠性,采用與吊燈扶桑葉綠體基因組注釋相同的方法對(duì)下載的8種木槿屬植物葉綠體基因組進(jìn)行注釋。
1.2.2 共線性分析 由于被子植物葉綠體基因組呈典型的四分區(qū)結(jié)構(gòu),且IR區(qū)反向互補(bǔ),因此在葉綠體基因組組裝時(shí),單拷貝區(qū)域的反向組裝往往是最常見(jiàn)的錯(cuò)誤之一。以吊燈扶桑葉綠體基因組為參考,基于MUMMER軟件[42]進(jìn)行共線性分析,進(jìn)而評(píng)估木槿屬植物葉綠體基因組組裝順序與序列共線性情況。
1.2.3 核苷酸多態(tài)性分析 核苷酸多態(tài)性指的是在全基因組層面或質(zhì)體基因組層面,單個(gè)核苷酸改變而導(dǎo)致的DNA序列差異。為鑒定木槿屬植物葉綠體基因組中高變區(qū)域與保守區(qū)域,首先基于MAFFT v7.037程序[44]進(jìn)行全序列比對(duì),然后基于DnaSP v6.0[43]計(jì)算核苷酸多態(tài)性指標(biāo)(pi)。DnaSP v6.0[43]計(jì)算核苷酸多態(tài)性參數(shù)設(shè)置如下:序列類(lèi)型參數(shù)選擇植物葉綠體基因,密碼子對(duì)照表選擇NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)提供的第11套密碼子表(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi#SG11),窗口長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)為600,步長(zhǎng)參數(shù)設(shè)為200。
1.2.4 高變基因篩選 物種在進(jìn)化過(guò)程中,葉綠體基因組會(huì)不斷地發(fā)生突變,不同功能的序列往往有著不同的變異速率。高變基因不僅能夠?yàn)榉肿訕?biāo)記開(kāi)發(fā)提供參考,而且能為物種起源與物種分化相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。利用核苷酸多態(tài)性篩選出木槿屬葉綠體基因組中的高變基因。以9種木槿屬植物葉綠體基因組共有的CDS序列為研究對(duì)象,使用MAFFT v7.037程序[44]進(jìn)行比對(duì)后,基于DnaSP v6.0[43]計(jì)算pi,pi大于0.01的基因定義為高變基因[45]。
1.2.5 邊界分析 運(yùn)用IRscope[46]對(duì)9個(gè)木槿屬物種葉綠體基因組的LSC(Large single-copy region)、SSC(Small single-copy region)和IR(Inverted repeat region)區(qū)域邊界進(jìn)行邊界差異分析,對(duì)邊界收縮進(jìn)行可視化,并對(duì)邊界基因進(jìn)行定位,顯示邊界基因種類(lèi)及位置,用以探究木槿屬植物葉綠體基因組邊界的穩(wěn)定性。
1.2.6 序列差異性分析 以吊燈扶桑葉綠體基因組注釋文件作為參考進(jìn)行木槿屬植物葉綠體基因組序列差異性分析。通過(guò)Python 3.10.1撰寫(xiě)腳本將.gb文件格式轉(zhuǎn)換為.mvista文件格式后,運(yùn)用mVISTA在線網(wǎng)站[47](https://genome.lbl.gov/vista/mvista/submit.shtml)對(duì)9種木槿屬物種的葉綠體基因組序列的差異性進(jìn)行探究。比對(duì)算法選擇能夠探究倒位的全局比對(duì)模式(Shuffle-LAGAN),最小差異設(shè)置為0.5(50%),若差異高于50%則識(shí)別為序列缺失。
1.3 系統(tǒng)發(fā)育與進(jìn)化分析
1.3.1 數(shù)據(jù)獲取 系統(tǒng)發(fā)育分析中除吊燈扶桑外其余物種葉綠體基因組均從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載,共包括3個(gè)外類(lèi)群物種,6個(gè)木棉科物種和37個(gè)錦葵科物種,具體如表2所示。本研究除木棉科瓜栗屬(Pachira),錦葵科蜀葵屬(Althaea)、大萼葵屬(Cenocentrum)、十裂葵屬(Decaschistia)、花葵屬(Lavatera)和隔蒴苘屬(Wissadula)未獲取到數(shù)據(jù)外,覆蓋其余的木棉科與錦葵科的16個(gè)屬。
1.3.2 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建 以楊柳科(Salicaceae)柳屬(Sali)旱柳(Salix matsudana)、葉下珠科(Phyllanthaceae)山格木屬(Cathetus)Cathetus clarkei和葉下珠科(Phyllanthaceae)銀柴屬(Aporosa)銀柴(Aporosa dioica)為外類(lèi)群構(gòu)建包含47個(gè)物種的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。首先,運(yùn)用MAFFT v7.037程序[44]對(duì)葉綠體基因組序列進(jìn)行比對(duì)。然后,在ModelFinder[48]中以AIC為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行最佳堿基替換模型選擇。最后,在MrBayes v3.2.7a[49]中以GTR+F+I+G4堿基替換模型運(yùn)用貝葉斯法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),迭代次數(shù)設(shè)置為20 000。
1.3.3 遺傳距離估算 在MEGA v7軟件[50]中使用p-distance模型在pairs配對(duì)模式下計(jì)算木槿屬及其近緣類(lèi)群中任意兩個(gè)物種間(表2)的遺傳距離(Genetic distance)。
1.3.4 分歧時(shí)間估算 基于系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),運(yùn)用MCMCtree[51]估計(jì)物種分歧時(shí)間。使用Timetree v5[52](http://www.timetree.org/)記載的秋葵屬(Abelmoschus)和梵天花屬(Urena)的分歧時(shí)間16.1~31.7 MYA,木棉屬(Bombax)和棉屬(Gossypium)的分歧時(shí)間16.4~29.7 MYA、木棉屬(Bombax)與榴梿屬(Durio)的分歧時(shí)間30.6~65.5 MYA為分歧時(shí)間估算的校準(zhǔn)點(diǎn)。為得到更準(zhǔn)確的運(yùn)行結(jié)果,選用各分支進(jìn)化速率獨(dú)立且進(jìn)化速率的對(duì)數(shù)符合正態(tài)分布的independent rates算法,且分子鐘模型選擇適合相對(duì)遠(yuǎn)緣關(guān)系估算的HKY85模型。迭代次數(shù)設(shè)為2 000 000次,舍棄前20%的迭代估算結(jié)果。本研究采用的形態(tài)學(xué)圖片均為各屬模式種的花器官,均為中國(guó)植物圖像庫(kù)(Plant Photo Bank of China;"PPBC)中所記載。
2 結(jié)果與分析
2.1 吊燈扶桑葉綠體基因組特征
2.1.1 吊燈扶桑葉綠體基因組測(cè)序、組裝和注釋 吊燈扶桑葉綠體基因組長(zhǎng)160 495 bp,GC含量37.04%,位點(diǎn)平均覆蓋度為725.865×。與其它被子植物類(lèi)似,吊燈扶桑葉綠體基因組具有明顯的四分區(qū)結(jié)構(gòu),包括一個(gè)大單拷貝區(qū)、一個(gè)小單拷貝區(qū)和兩個(gè)反向重復(fù)區(qū)。其中LSC區(qū)長(zhǎng)89 076 bp,SSC區(qū)長(zhǎng)20 197 bp,IR區(qū)長(zhǎng)25 610 bp。在吊燈扶桑葉綠體基因組基因中共注釋出了130個(gè)基因(表3),其中包括85個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,37個(gè)tRNA基因和8個(gè)rRNA基因。葉綠體基因組圖譜如圖1所示,環(huán)內(nèi)基因按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)錄,環(huán)外基因按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)錄,不同功能的基因顯示不同的顏色。
2.1.2 SSR篩選結(jié)果 吊燈扶桑葉綠體基因組中共檢測(cè)到275個(gè)SSR(圖2、表4)。最豐富的SSR類(lèi)型是單核苷酸重復(fù)(178個(gè)),其次是三核苷酸(77個(gè)),四核苷酸(7個(gè)),二核苷酸(6個(gè)),六核苷酸(2個(gè))和五核苷酸(1個(gè))重復(fù)。A堿基與T堿基重復(fù)的SSR數(shù)量最多,且單拷貝區(qū)的SSR數(shù)量超過(guò)了反向重復(fù)區(qū)。LSC區(qū)擁有最多的SSR,共檢測(cè)出192個(gè)SSR,占總SSR數(shù)量的69.8%。在SSC區(qū),共檢測(cè)到47個(gè)SSR,約占17.1%。在IR區(qū),共檢測(cè)到36個(gè)SSR,僅占總量的13.1%。LSC區(qū)的基因間SSR數(shù)量最多,外顯子中的SSR數(shù)量最少。在SSC區(qū)和IR區(qū)中,SSR的分布模式與LSC區(qū)有所不同,外顯子包含的SSR數(shù)量最多,而基因間區(qū)域的SSR數(shù)量最少。
2.1.3 密碼子偏好性 對(duì)53個(gè)長(zhǎng)度大于300 bp的蛋白編碼基因的GC1、GC2、GC3和ENC進(jìn)行統(tǒng)計(jì),(圖3),各基因的GC1位于36.27%~59.90%,其中GC1最高的基因?yàn)?em>clpP,GC1最低的基因?yàn)?em>rps18;各基因的GC2位于28.70%~58.27%,其中GC2最高的基因?yàn)?em>rps11,GC2最低的基因?yàn)?em>cemA;各基因的GC3位于22.98%~36.86%,其中GC3最高的基因?yàn)?em>ycf2,GC3最低的基因?yàn)?em>petD;各基因的GC_all位于31.09 %~46.28 %,其中GC_all最高的基因?yàn)?em>rps11,GC_all最低的基因?yàn)?em>ycf1。除個(gè)別基因以外,大多數(shù)基因的GC1高于GC2、GC3與GC_all。各基因的ENC位于33.46~57.10,其中ENC最高的基因?yàn)?em>clpP,ENC最低的基因?yàn)?em>rps8。通過(guò)ENC值表明表達(dá)量最高的5個(gè)基因?yàn)?em>psbA,rps18,petD,rps14和rps8,通過(guò)ENC值表明表達(dá)量最低的5個(gè)基因?yàn)?em>clpP,ndhJ,atpE,petA和ndhH。
Neutral-plot分析(圖4A)顯示GC3與GC12的相關(guān)系數(shù)為0.01,回歸系數(shù)為0.247,表明兩者相關(guān)性不強(qiáng)。突變和自然選擇在蛋白編碼基因密碼子偏好性形成中的貢獻(xiàn)分別為24.7%和75.3%。ENC-plot分析(圖4B)顯示大部分葉綠體蛋白編碼基因偏離ENC期望值標(biāo)準(zhǔn)曲線,說(shuō)明主要受選擇影響。PR2-plot分析(圖4C)中所有蛋白編碼基因大幅偏離中心點(diǎn),大多分布在右下區(qū)域,第3位A的使用頻率低于T,C的使用頻率低于G,亦表明強(qiáng)烈的自然選擇作用。3項(xiàng)分析結(jié)果一致指出自然選擇是吊燈扶桑葉綠體基因組蛋白編碼基因密碼子偏好性形成的主導(dǎo)因素。
以ENC作為表達(dá)量的判定標(biāo)準(zhǔn),從兩端各選擇10%的基因構(gòu)建高低偏性庫(kù)(圖3)。共篩選出25個(gè)ΔRSCU≥0.08的高表達(dá)優(yōu)越密碼子(表5),其中10個(gè)以G/C結(jié)尾,15個(gè)以A/U結(jié)尾。共篩選出30個(gè)蛋白編碼基因串聯(lián)序列的RSCU值大于1的高頻密碼子,其中29個(gè)以A/U結(jié)尾的密碼子,僅1個(gè)以G結(jié)尾的密碼子。二者取交集后,共15個(gè)(既是高頻率密碼子,又是高表達(dá)優(yōu)越密碼子得最優(yōu)密碼子),分別為GCU,CGA,CGU,UGU,CAA,GAA,GGU,AUU,UUA,UUG,AAA,AGU,UCU,ACU,GUA,其中14個(gè)以A/U結(jié)尾,1個(gè)以G結(jié)尾。
2.2 木槿屬葉綠體基因組特征比較
2.2.1 序列共線性 吊燈扶桑葉綠體基因組與其它木槿屬植物的葉綠體基因組在四個(gè)區(qū)域的順序上保持一致(圖5),屬內(nèi)不同物種間的葉綠體基因組顯示出高度的同源性和良好的共線性,未檢測(cè)出長(zhǎng)片段的反轉(zhuǎn)或重排現(xiàn)象。
2.2.2 核苷酸多態(tài)性 木槿屬葉綠體基因組pi介于0~0.103,平均值為0.0105(圖6)。核苷酸多態(tài)性最高的區(qū)域?yàn)?em>ndhF與rpl32的基因間區(qū),其次為ndhF基因編碼區(qū)、atpB與rbcL的基因間區(qū)和petB的基因編碼區(qū)。單拷貝區(qū)核苷酸多態(tài)性顯著高于反向重復(fù)區(qū)域。9種木槿屬植物葉綠體基因組單拷貝區(qū)順序一致(圖5),因此單拷貝區(qū)域的核苷酸多態(tài)性明顯高于反向重復(fù)區(qū)域的核苷酸多態(tài)性的現(xiàn)象并不存在單拷貝區(qū)反向組裝而帶來(lái)的假陽(yáng)性,單拷貝區(qū)相較于反向重復(fù)區(qū)域存在更多的變異位點(diǎn),可作為用于物種鑒定的SNP分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)候選區(qū)域。
2.2.3 高變基因與保守基因 共篩選出18個(gè)pi大于0.01的高變基因(圖8),其中包括5個(gè)光合作用基因(atpE,ndhF,psaI,psbH,rbcL)、8個(gè)自我復(fù)制基因(rpl14,rpl22,rpl32,rpl33,rps3,rps8,rps15,rps16)、4個(gè)其他基因(ccsA,accD,infA,matK)和1個(gè)未知功能基因(ycf1)。其他基因類(lèi)的基因變異性最強(qiáng),光合作用相關(guān)基因最為保守。rpl22基因的pi值最高(pi=0.0250),表明此基因在9個(gè)物種之間存在顯著差異,該基因編碼核糖體大亞基蛋白質(zhì),該基因或許對(duì)開(kāi)發(fā)種水平鑒定的高精度分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)有重要意義。3個(gè)基因的pi為0(petN,rps12,rpl36),其中petN為細(xì)胞色素b/f復(fù)合物的亞單位編碼基因,rps12為核糖體小亞基蛋白質(zhì)編碼基因,rpl36為核糖體大亞基蛋白編碼基因。這些pi為0的基因在木槿屬植物葉綠體基因組中高度保守,或許是木槿屬與其它類(lèi)群物種區(qū)分的重要候選分子標(biāo)記。
2.2.4 葉綠體基因組分區(qū)邊界 木槿屬9種植物葉綠體基因組四個(gè)分區(qū)的邊界較為保守,邊界基因種類(lèi)一致,僅在位置上存在小的差異(圖8),未檢測(cè)到反向重復(fù)區(qū)域的缺失現(xiàn)象。LSC區(qū)長(zhǎng)度位于89 076 bp(吊燈扶桑)~90 351 bp(大麻槿),SSC區(qū)長(zhǎng)度位于18 647 bp(芙蓉葵)~20 246 bp(朱槿),IR區(qū)長(zhǎng)度位于25 598 bp(朱槿)~26 533 bp(大麻槿),物種間各區(qū)域序列長(zhǎng)度差異不大。在3個(gè)物種(H. hamabo、H. cannabinus、H. syracus)中,rps19基因均有276 bp位于LSC區(qū),IRb區(qū)的序列均為3 bp。對(duì)于其他6個(gè)木槿屬物種而言,rps19基因的所有序列完全位于LSC區(qū)內(nèi)。此外,9個(gè)物種的rpl2基因均存在于IRb區(qū)和IRa區(qū)靠LSC區(qū)的一側(cè),但并未越過(guò)IR/LSC邊界。9個(gè)木槿屬物種的trnH基因均位于LSC區(qū),距離JLA邊界較近(0~2 bp)。木槿屬9種植物葉綠體基因組四個(gè)分區(qū)的邊界較為保守,未檢測(cè)到邊界處的重排與分區(qū)的收縮擴(kuò)張現(xiàn)象。邊界處的基因種類(lèi)未發(fā)生變化,且基因位置差異不大。葉綠體基因組邊界處的基因種類(lèi)和基因位置并不能對(duì)木槿屬植物進(jìn)行很好的分類(lèi)。另外,未檢測(cè)到9個(gè)木槿屬物種葉綠體基因組各區(qū)域的收縮或擴(kuò)張現(xiàn)象。
2.2.5 序列差異性 木槿屬9個(gè)物種葉綠體基因組高度保守(圖9),但在部分區(qū)域也存在分化,例如單拷貝區(qū)的UTR、ycf1基因編碼區(qū)和rpl22基因編碼區(qū)等。整體來(lái)看,單拷貝區(qū)的序列比反向重復(fù)區(qū)的序列更為多變。非編碼區(qū)(Conserved non-coding regions,CNS)的序列變異性高于非翻譯區(qū)(Untranslated regions,UTR)和外顯子區(qū)(Expressed regions,Exon)。UTR相較于Exon與CNS更為保守,未檢測(cè)到9個(gè)物種的葉綠體基因組UTR區(qū)有顯著差異。
2.2.6 基因數(shù)量與序列長(zhǎng)度 9個(gè)木槿屬植物葉綠體基因組均為四分體結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度位于160 208 bp(芙蓉葵)~161 731 bp(海濱木槿)。大麻槿、紅秋葵、海濱木槿、芙蓉葵、木芙蓉、朱槿、木槿和臺(tái)灣芙蓉的基因數(shù)目與種類(lèi)與吊燈扶桑葉綠體基因組一致,基因數(shù)量均為130,包括85個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,37個(gè)tRNA基因和8個(gè)rRNA基因。
2.3 系統(tǒng)發(fā)育
2.3.1 系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系 貝葉斯樹(shù)中各分支的后驗(yàn)概率均大于0.8,基于完整的葉綠體基因組構(gòu)建的進(jìn)化樹(shù)能夠較好反映出物種的進(jìn)化關(guān)系(圖10)。同科物種均以較高的后驗(yàn)概率(pp=1.00)聚為一支。除海濱木槿外,同屬物種聚為一支。木棉科5個(gè)屬為并系,榴梿屬在木棉科分化初期與猴面包樹(shù)屬、木棉屬、吉貝屬、榴梿屬、輕木屬組成的分支產(chǎn)生了分化。另外,黃花稔屬為并系。木槿屬處于木槿屬、秋葵屬、翅果麻屬、懸鈴花屬與梵天花屬所構(gòu)成的分支的基部位置。海濱木槿并未與其它木槿屬植物聚在一起,而是與翅果麻屬植物聚為一支。木棉科物種為高大的喬木,錦葵科物種為小喬木、灌木或高大草本。錦葵科物種在其進(jìn)化過(guò)程中可能面臨例如環(huán)境變化、生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)、能量和資源的分配和人類(lèi)活動(dòng)在內(nèi)的特殊的進(jìn)化壓力,展現(xiàn)出了植物體型和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的進(jìn)化過(guò)程。
2.3.2 遺傳距離 木棉科物種與木槿屬物種親緣關(guān)系較近(圖10)且遺傳距離(圖11)較小(0.0122~0.0301),這能解釋木棉科與木槿屬形態(tài)上較為相似的現(xiàn)象。木棉科與錦葵科各物種間遺傳距離均大于10-7,表明利用葉綠體基因組可以進(jìn)行種水平的分類(lèi)[16],是物種鑒定的重要依據(jù)。光葉翅果麻與翅果麻間的遺傳距離為9.31×10-6,表明分化后二者葉綠體基因組未經(jīng)歷差異較大的自然選擇作用。棉屬物種與錦葵科其他物種之間的遺傳距離較大,推測(cè)棉屬物種進(jìn)化過(guò)程中遭受了更劇烈的環(huán)境影響或者是原始群體的遺傳多樣性更高[53]。除棉屬物種外,其他類(lèi)群的親緣關(guān)系與遺傳距離呈現(xiàn)一定相關(guān)性,親緣關(guān)系越近的物種遺傳距離越小。
2.3.3 分歧時(shí)間 距今約28.61百萬(wàn)年,錦葵科與木棉科首先出現(xiàn)分化,隨后錦葵科物種逐步分化(圖12)。木棉科與錦葵科物種花器官相似度較高,花器官形態(tài)特征并不能作為親緣關(guān)系判斷的標(biāo)準(zhǔn),本研究并沒(méi)有找到花器官特征與分化期地質(zhì)環(huán)境間可能存在的聯(lián)系。錦葵科分化初期(25.77 MYA),錦葵科物種分化為兩支,其中一支包含木槿屬、秋葵屬、翅果麻屬、懸鈴花屬和梵天花屬,另外一支包含錦葵屬、賽葵屬、黃花稔屬、苘麻屬、Navaea、棉屬和桐棉屬。木槿屬物種在距今19.95百萬(wàn)年左右的中新世早期分化成兩個(gè)分支。木槿屬與翅果麻屬、懸鈴花屬和梵天花屬構(gòu)成的分支在距今約16.35百萬(wàn)年出現(xiàn)分化,秋葵屬與木槿屬距今約5.33百萬(wàn)年出現(xiàn)分化。
3 討論
隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展,質(zhì)體基因組的獲取成本逐漸降低,使得大規(guī)模、高效率的質(zhì)體基因組獲得成為可能。近些年來(lái),基于質(zhì)體基因組的植物系統(tǒng)發(fā)育研究成為一大熱點(diǎn)。但由于許多植物線粒體基因組存在線性與多染色體結(jié)構(gòu),很難僅通過(guò)二代測(cè)序技術(shù)獲取到質(zhì)量較高的線粒體基因組[54]。因此,目前對(duì)于使用質(zhì)體基因組進(jìn)行的植物系統(tǒng)發(fā)育依舊主要集中于葉綠體基因組上。在早期,葉綠體基因組的測(cè)序策略通常是通過(guò)細(xì)胞器的富集,然后進(jìn)行擴(kuò)增、測(cè)序[54]。這種方法雖然可以直接測(cè)序獲得葉綠體基因組的序列片段,但是操作復(fù)雜,且容易受到線粒體或雜質(zhì)的干擾,影響測(cè)序結(jié)果的準(zhǔn)確性,為葉綠體全基因組的組裝帶來(lái)困難[55]。然而,隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步,測(cè)序策略已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。目前葉綠體基因組的獲得策略是首先對(duì)總DNA進(jìn)行測(cè)序,然后在測(cè)序結(jié)果中篩選出葉綠體基因組片段,最后對(duì)這些片段進(jìn)行組裝,得到完整的質(zhì)體基因組[56]。這種方法不僅可以避免細(xì)胞富集過(guò)程中繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作,而且可以充分利用高通量測(cè)序的優(yōu)勢(shì),提高測(cè)序效率和準(zhǔn)確性。這種策略還可以同時(shí)獲取到其它類(lèi)型的基因組信息,如核基因組、線粒體基因組,這為全面理解生物的遺傳信息提供了可能[57]。因此,這種策略已經(jīng)成為葉綠體基因組研究的主流方法,在高質(zhì)量葉綠體基因組研究中得到了廣泛的運(yùn)用。
葉綠體基因組的比較分析在物種演化歷史和親緣關(guān)系推斷中意義重大。近些年來(lái),有學(xué)者發(fā)現(xiàn)許多被子植物葉綠體基因結(jié)構(gòu)存在分區(qū)缺失情況[58]為物種的起源進(jìn)化提供了新的觀點(diǎn)。木槿屬9種植物葉綠體基因組四個(gè)分區(qū)的邊界較為保守,未檢測(cè)到邊界處的重排現(xiàn)象,基因種類(lèi)未發(fā)生變化,基因位置差異不大,葉綠體基因組邊界處的基因種類(lèi)和基因位置并不能對(duì)木槿屬植物進(jìn)行很好的分類(lèi)。木槿屬葉綠體基因組序列同源性高、共線性好,無(wú)長(zhǎng)序列的反轉(zhuǎn)和重排,單拷貝區(qū)的差異明顯大于反向重復(fù)區(qū)域。另外,在9種木槿屬植物葉綠體基因組中共篩選出18個(gè)pi大于0.01的高變基因[45],其中包括5個(gè)光合作用基因、8個(gè)自我復(fù)制基因、4個(gè)其他基因和1個(gè)未知功能基因,這些基因或許對(duì)未來(lái)高精度的木槿屬物種分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)有重要意義。3個(gè)基因的pi為0,表示這些基因在木槿屬植物葉綠體基因組中高度保守,或許是與其它類(lèi)群物種區(qū)分的重要候選分子標(biāo)記。
木棉科物種與木槿屬物種之間的遺傳距離較小,且木棉科與木槿屬在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上的位置接近。這一發(fā)現(xiàn)能夠解釋木棉科與木槿屬在形態(tài)學(xué)上為何存在一定程度的相似性。傾向于支持Hutchinson等[17]與《中國(guó)植物志》[1]等傳統(tǒng)系統(tǒng)學(xué)研究,并不贊同將木棉科并入錦葵科或者歸入木槿屬。棉屬物種與錦葵科其他物種之間的遺傳距離更大,這表明棉屬物種在進(jìn)化過(guò)程中可能經(jīng)歷了更為劇烈的環(huán)境變化,或者其原始種群擁有更高的遺傳多樣性。海濱木槿未與其他木槿屬植物聚為一支,而與翅果麻屬植物聚在了一起,但海濱木槿與木槿屬其他植物在花器官特征上仍顯示出較高的相似性,而與翅果麻屬植物則存在較大的差異。從形態(tài)學(xué)角度來(lái)看,海濱木槿與木槿屬其它植物共享一個(gè)共同的祖先。此外,其他的許多形態(tài)學(xué)特征也支持相對(duì)于翅果麻屬,海濱木槿與木槿屬其他物種或許有更近的親緣關(guān)系。海濱木槿與翅果麻屬植物聚在了一起,可能是由于海濱木槿與其它木槿屬物種在生態(tài)位上的差異顯著,而與翅果麻屬有較為相似的生境,在長(zhǎng)期的自然選擇作用下海濱木槿與翅果麻屬的葉綠體基因組產(chǎn)生了趨同進(jìn)化。然而,由于未能獲取到包含更豐富遺傳信息的全基因組數(shù)據(jù),或如玫瑰茄等與海濱木槿具有相似生境的木槿屬植物的葉綠體基因組信息,因此在關(guān)于木槿屬是否為并系類(lèi)群的問(wèn)題以及海濱木槿是否應(yīng)劃入木槿屬的問(wèn)題上本研究未能得出明確的結(jié)論。另外,與Cheng等[29]的研究不同的是,木槿與吊燈扶桑和朱槿構(gòu)成的分支親緣關(guān)系較近,而大麻槿與木芙蓉和臺(tái)灣芙蓉構(gòu)成的分支親緣關(guān)系更近。
分歧時(shí)間估算結(jié)果表明木槿屬物種在距今19.95百萬(wàn)年左右的中新世早期分化成了兩個(gè)分支。這一時(shí)期不僅是地質(zhì)活動(dòng)活躍的時(shí)期之一,出現(xiàn)了非洲和南美洲開(kāi)始分離,大西洋開(kāi)始形成,喜馬拉雅山脈隆起和大規(guī)模的火山噴發(fā)等,也出現(xiàn)了比較明顯的氣候變化,這一時(shí)期全球氣溫升高,是距離現(xiàn)代最近的地質(zhì)溫暖期[59]。無(wú)論是地質(zhì)變化還是氣候變化都可能對(duì)該類(lèi)群的分化產(chǎn)生重要影響。在地質(zhì)變化方面,《中國(guó)植物志》[1]記載木槿屬植物主要分布于全球熱帶亞熱帶中低緯度地區(qū),北溫帶地區(qū)的亞洲大陸也有個(gè)別種的廣泛分布。這一時(shí)期發(fā)生地質(zhì)事件的區(qū)域?yàn)槟鹃葘傥锓N主要分布區(qū),因此地質(zhì)事件可能導(dǎo)致了木槿屬物種的生物群體之間的地理隔離,使得原本連續(xù)分布的種群被隔離成不同的居群。這種分隔阻礙了基因交流,使得隔離群體各自獨(dú)立演化,在不同的環(huán)境中,個(gè)體的適應(yīng)性有所不同,逐代選擇會(huì)導(dǎo)致一些基因的頻率發(fā)生變化,最終因產(chǎn)生生殖隔離而導(dǎo)致新物種的產(chǎn)生。在氣候變化方面,該時(shí)期的氣候變化可能不同木槿屬植物個(gè)體對(duì)氣候的適應(yīng)有了不同的偏向,在缺乏地理隔離的條件下,經(jīng)歷了生殖隔離的過(guò)程。由于獲取到的木槿屬植物分子數(shù)據(jù)依舊十分有限,后續(xù)還需獲取到更多物種的葉綠體基因組數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善木槿屬物種的遷徙模式以及遷徙壓力。
4 結(jié)論
吊燈扶桑葉綠體基因組長(zhǎng)160 493 bp,GC含量37.04%,包括85個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,37個(gè)tRNA基因和8個(gè)rRNA基因,其中蛋白質(zhì)編碼基因密碼子偏好性形成受到明顯的自然選擇影響。木槿屬植物葉綠體基因組保守性高,共線性和同源性好,未檢測(cè)到明顯的結(jié)構(gòu)特征變異。篩選出的高變基因與高度保守基因?yàn)槟鹃葘偌跋嚓P(guān)類(lèi)群的鑒定提供候選標(biāo)記。棉屬物種與錦葵科其他物種的遺傳距離較大,推測(cè)可能是由于原始群體基因多樣性更高或在進(jìn)化過(guò)程中受到了更劇烈的環(huán)境變化影響?;谌~綠體基因組進(jìn)行的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建結(jié)果不支持將木棉科歸入錦葵科或木槿屬,但木棉科與木槿屬遺傳距離較小的現(xiàn)象為該類(lèi)群形態(tài)學(xué)相似現(xiàn)象提供了新的視角。
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(責(zé)任編輯""彭露茜)
引用格式:周全, 王璐瑤, 袁慶,"等.吊燈扶桑葉綠體基因組特征與木槿屬系統(tǒng)發(fā)育研究[J].草地學(xué)報(bào),2025,33(3):748-765
Citation:ZHOU Quan, WANG Lu-yao, YUAN Qing, et al.Chloroplast Genomic Characteristics of"Hibiscus schizopetalus"and Phylogenetic Relationships of"Hibiscus[J].Acta Agrestia Sinica,2025,33(3):748-765
基金項(xiàng)目:中科院西部之光青年學(xué)者項(xiàng)目“青藏高原莛子藨與穿心莛子藨遺傳多樣性及物種分化研究”(xbzglzb2022043);西寧市重大科技專(zhuān)項(xiàng)“西寧植物多樣性資源調(diào)查與種質(zhì)資源圃建設(shè)”(2023-Z-13)資助
作者簡(jiǎn)介:周全(2002-),男,漢族,山東單縣人,碩士研究生,主要從事基因組學(xué)與系統(tǒng)發(fā)育研究,E-mail:zhouquan0414@sina.com;*通信作者Author for correspondence,E-mail:"lhrbotany@163.com