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基于叶绿体基因组的江南牡丹草遗传多样性与遗传结构

李慧霞, 李玉, 宁馨, 李晓晨, 王天瑞, 宋以刚, 戴锡玲, 郑斯斯, 钟鑫

生物多样性 2025, 33 (8): 25149-. DOI: 10.17520/biods.2025149

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江南牡丹草(Gymnospermium kiangnanense)是分布于安徽和浙江的中国特有濒危植物, 已被纳入当地的珍稀濒危植物名录, 然而对其种群间遗传结构的相关研究较少。为了加强对江南牡丹草的保护, 本研究通过组装6个种群39个个体的叶绿体基因组序列并对其进行比较基因组学分析和种群遗传结构分析, 探讨了对江南牡丹草的保护策略。结果表明: (1)江南牡丹草叶绿体基因组在序列组成、基因结构和基因含量等方面都高度保守, 其中简单重复序列(simple sequence repeats, SSRs)类型表现出明显的种群特征; (2)叶绿体基因组中3个非编码区域: psbZ与trnG-GCC的间隔区(psbZ-trnG-GCC)、trnT-UGU与trnL-UAA的间隔区(trnT-UGU-trnL-UAA)以及ycf1与ndhF的间隔区(ycf1-ndhF), 均表现出较高的变异性, 同时ndhF具有较高的核苷酸多样性, 可作为潜在的分子标记; (3)叶绿体基因组具有较高的遗传多样性, 且种群间具有较高的遗传分化; (4) 6个种群39个个体的叶绿体基因组序列计算得出14个单倍型, 经过Network分析和Beast分析可以划分为3个支系; (5)江南牡丹草种群间的变异大, 且具有明显的谱系地理结构; (6)通过种群历史动态分析发现, 江南牡丹草种群未发生扩张, 一直处于平衡状态。江南牡丹草以异交的繁殖方式增加遗传变异、减少近交衰退, 再加上在中国东部存在的第四纪冰期避难所为其提供了稳定的生存环境, 因而其种群的遗传多样性较高。结实率低、种子扩散能力弱以及过度的人为活动可能是导致其濒危的主要原因, 因此通过对江南牡丹草叶绿体基因组的分析结合保护遗传学提出如下保护建议: (1)按支系划分3个保护单元, 重点保护浙江诸暨凤林下村种群, 设立保护小区; (2)在其花期进行人工放蜂, 增加传粉率和结实率; (3)降低群落的种群密度以改善光照, 促进幼苗生长; (4)在就地保护基础上, 于适宜植物园开展迁地保护与人工繁育; (5)加强科普宣传, 减少人为破坏; (6)合理利用其药用价值, 促进人工繁育与保护。

基因分类 Genetic classification	基因分组 Group of gene	基因名称 Name of genes
光合作用相关基因 Photosynthesis-related genes	光合系统I Photosystem I	psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ
	光合系统II Photosystem II	psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, psbZ
	NADH脱氢酶 NADPH dehydrogenase	ndhA^, ndhB^(2), ndhC, ndhD, ndhE, ndhF, ndhG, ndhH, ndhI, ndhJ, ndhK
	细胞色素b/f蛋白复合体 Cytochrome b/f protein complex	petA, petB^, petD^, petG, petL, petN
	ATP合酶 ATP synthase	atpA, atpB, atpE, atpF^, atpH, atpI*
	核糖体大亚基 Large ribosomal subunit	rbcL
转录翻译相关基因 Transcription- and translation-related genes	核糖体大亚基蛋白质 Large ribosomal subunit proteins	rpl14, rpl16^, rpl2^(2), rpl20, rpl22, rpl23(2), rpl32, rpl33, rpl36
	核糖体小亚基蛋白质 Small ribosomal subunit proteins	rps11, rps12^*(2), rps14, rps15, rps16^, rps18, rps19, rps2, rps3, rps4, rps7(2), rps8
	RNA聚合酶亚基 RNA polymerase subunit	rpoA, rpoB, rpoC1^, rpoC*2
	核糖体RNA Ribosomal RNA	rrn16(2), rrn23(2), rrn4.5(2), rrn5(2)
	转运RNA Transfer RNA	trnA-UGC^(2), trnC-GCA, trnD-GUC, trnE-UUC, trnF-GAA, trnG-GCC, trnG-UCC^, trnH-GUG, trnI-CAU(2), trnI-GAU^(2), trnK-UUU^, trnL-CAA(2), trnL-UAA^, trnL-UAG, trnM-CAU, trnN-GUU(2), trnP-UGG, trnQ-UUG, trnR-ACG(2), trnR-UCU, trnS-GCU, trnS-GGA, trnS-UGA, trnT-GGU, trnT-UGU, trnV-GAC(2), trnV-UAC^, trnW-CCA, trnY-GUA, trnfM-CAU
物质合成相关基因 Biosynthesis-related genes	成熟酶 Maturase	matK
	蛋白酶 Protease	clpP^**
	包裹膜蛋白 Envelop membrane protein	cemA
	乙酰辅酶A羧化酶 Acetyl-CoA carboxylase	accD
	c型细胞色素合成基因 c-type cytochrome synthesis gene	ccsA
	转录起始因子 Transcription initiation factors	infA
未知功能基因 Uncharacterized genes	保守的叶绿体假设开放阅读框 Conserved hypothetical chloroplast open reading frames	ycf1(2), ycf2(2), ycf3^*, ycf*4

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表2 江南牡丹草叶绿体基因组注释基因

正文中引用本图/表的段落

在39个江南牡丹草叶绿体基因组中, 共注释131个基因, 包括86个蛋白质编码基因(protein-coding genes, PCGs)、37个转运RNA基因(transfer RNA genes, tRNAs)和8个核糖体RNA基因(ribosomal RNA genes, rRNAs)。这些基因根据其功能可分为4大类(光合作用相关基因、转录翻译相关基因、物质合成相关基因、未知功能基因), 其中有18个基因存在两个拷贝, 包括7个PCGs (ndhB、rp12、rp123、rps12、rps7、ycf1、ycf2)、7个tRNAs (trnA-UGC、trnI-CAU、trnI-GAU、trnL-CAA、trnN-GUU、trnR-ACG、trnV-GAC)和4个rRNAs (rrn16、rrn23、rrn4.5、rrn5)。此外, 共有18个基因含有内含子, 其中15个基因含有1个内含子, 包括9个PCGs (ndhA、ndhB、petB、petD、atpF、rp116、rp12、rps16、rpoC1)和6个tRNAs (trnA-UGC、trnG-UCC、trnI-GAU、trnK-UUU、trnL-UAA、trnV-UAC); 而剩余3个基因含有2个内含子, 分别为rps12、clpP和ycf3 (表2)。

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