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以下文章來(lái)源于PlantDiversity ，作者吳優(yōu)

PlantDiversity.

《植物多樣性》主要發(fā)表圍繞植物多樣性保護(hù)這一主題的植物學(xué)方面的所有論文，在區(qū)域上立足于青藏高原和橫斷山及其周邊區(qū)域面向全球，2024年影響因子6.3，入選《期刊分區(qū)表》生物學(xué)大類1區(qū)和植物科學(xué)小類1區(qū)TOP期刊。

近年來(lái)，完整質(zhì)體基因組因其包含更全面的遺傳信息，被寄望成為新一代“超級(jí)條形碼”，尤其在標(biāo)準(zhǔn)條形碼難以區(qū)分的近緣物種中展現(xiàn)潛力。然而，很少有研究系統(tǒng)性地探討分類復(fù)雜性——特別是那些具有復(fù)雜演化歷史的快速輻射進(jìn)化支系——如何影響質(zhì)體基因組尺度條形碼的有效性。馬先蒿屬（Pedicularis）是被子植物中最大的半寄生植物屬之一，全球有將近700種，有超過(guò)60%的馬先蒿物種在喜馬拉雅—橫斷山區(qū)集中分布，該區(qū)域內(nèi)馬先蒿屬物種在地理分布、生境以及花形態(tài)特征上都展現(xiàn)出了極為豐富的多樣性（圖1），并且經(jīng)歷了快速的輻射演化。因此馬先蒿屬是一個(gè)非常理想的范例來(lái)探究條形碼的鑒別機(jī)制。

圖1 馬先蒿屬物種形態(tài)多樣性。(a) P. salviiflora; (b) P. rex; (c) P. integrifolia; (d) P. leptosiphon; (e) P. oederi; (f) P. lutescens; (g) P. vialii; (h) P. cranolopha.

為探討這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所（以下簡(jiǎn)稱“昆明植物所”）聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園（以下簡(jiǎn)稱“版納植物園”）、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、美國(guó)莫瑟爾大學(xué)（Mercer University）等單位科研人員，對(duì)該類群進(jìn)行了系統(tǒng)的條形碼研究。研究團(tuán)隊(duì)采集了主要分布于中國(guó)喜馬拉雅—橫斷山區(qū)的96個(gè)馬先蒿屬物種共292份樣品（圖2），通過(guò)基因組淺層測(cè)序獲取了葉綠體全基因組和核糖體nrITS序列，系統(tǒng)地評(píng)估了“超級(jí)條形碼”（葉綠體基因組）、傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)條形碼（rbcL、matK、trnH-psbA、nrITS）、葉綠體高變區(qū)等片段及組合的物種鑒定效率，并進(jìn)一步探討了可能影響物種鑒定效率的內(nèi)在遺傳因素。

圖2 基于質(zhì)體編碼序列構(gòu)建的最大似然樹(shù)。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)末端未標(biāo)注物種名稱的分支代表利用本數(shù)據(jù)集無(wú)法鑒定的樣本；橙色菱形標(biāo)識(shí)表示基于本研究中所有數(shù)據(jù)集均未能鑒定的樣本。環(huán)繞系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的14層環(huán)形圖依次代表從內(nèi)向外排列的14個(gè)基因：accD、ccsA、ndhA、ndhB、ndhC、ndhD、ndhE、ndhF、ndhG、ndhH、ndhI、ndhJ、ndhK和ycf15。四種顏色對(duì)應(yīng)各基因狀態(tài)：（0）完整有功能，（1）存在提前終止密碼子的完整序列，（2）部分缺失，（3）完全缺失。最外層的灰色條形環(huán)表示假基因化程度，柱狀圖越高表明假基因化程度越高。

研究結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)DNA條形碼在馬先蒿這一半寄生植物屬中具有與質(zhì)體基因組尺度條形碼相媲美的物種鑒定能力。影響物種鑒定能力的關(guān)鍵因素包括序列比對(duì)長(zhǎng)度和簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)比例（圖3），同時(shí)受寬松選擇約束的保守基因展現(xiàn)出更強(qiáng)的鑒別能力（圖4 和圖5）。研究同時(shí)揭示了馬先蒿屬內(nèi)因快速分化、雜交及譜系不完全分選所造成的物種鑒別困境。葉綠體與核標(biāo)記（如nrITS）之間的系統(tǒng)發(fā)育沖突，印證了歷史基因滲入與地理隔離的影響，在近期分化的支系中尤為顯著。形態(tài)特征的趨同演化與隱存物種形成進(jìn)一步增加了分類劃界的難度，例如在形態(tài)上高度一致的物種（如大衛(wèi)氏馬先蒿）中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)獨(dú)立支系。

圖3基于71個(gè)基因區(qū)域的序列特征與物種鑒別能力相關(guān)性分析。序列特征包括比對(duì)長(zhǎng)度（AL）、可變位點(diǎn)數(shù)量（NVS）、可變位點(diǎn)百分比（PVS）、簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)數(shù)量（NPIS）、簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)百分比（PPIS）以及鑒定物種數(shù)量（NIS）。(A) 六個(gè)變量的相關(guān)性分析。相關(guān)性強(qiáng)度通過(guò)每個(gè)方格中的餅圖大小、顏色深淺及對(duì)應(yīng)數(shù)值表示：餅圖越大、顏色越深、數(shù)值越高代表相關(guān)性越強(qiáng)（藍(lán)色表示正相關(guān)，紅色表示負(fù)相關(guān)）。(B) 以NIS作為響應(yīng)變量、其余變量作為預(yù)測(cè)因子進(jìn)行的全子集回歸（ASR）分析?？v坐標(biāo)表示不同變量組合模型的調(diào)整后判定系數(shù)（R2adj），橫坐標(biāo)表示變量。不同顏色的矩形代表不同的解釋度水平。

圖4選擇壓力分析結(jié)果。圖示包含兩個(gè)組成部分：（1）虛線以上展示RELAX軟件的選擇強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果。柱狀圖顯示選擇壓力類型，藍(lán)色代表強(qiáng)化選擇，紅色代表松弛選擇。（2）虛線以下呈現(xiàn)利用TBtools計(jì)算的非同義替換率（Ka）與同義替換率（Ks）比值結(jié)果。箱形圖描繪Ka/Ks值的分布區(qū)間?；虬磋b別能力從左至右降序排列。

圖5箱形圖展示了經(jīng)歷不同選擇強(qiáng)度（松弛選擇與強(qiáng)化選擇）的基因在鑒別能力上的差異。66個(gè)CDS基因中，36個(gè)基因經(jīng)歷強(qiáng)化選擇（n=36），30個(gè)基因經(jīng)歷松弛選擇（n=30）。縱坐標(biāo)為各基因鑒定的物種數(shù)量。紅色線條代表中位數(shù)，綠色三角表示平均值。P值為Mann-Whitney U test結(jié)果（具有顯著差異）。

這些發(fā)現(xiàn)表明，在馬先蒿屬中，單純使用質(zhì)體DNA條形碼可能已接近其理論鑒定極限（約80%），剩余的不確定性很可能反映了分類學(xué)界定的不一致或質(zhì)體數(shù)據(jù)自身的局限性。未來(lái)研究需整合核基因組標(biāo)記，以解析雜交導(dǎo)致的復(fù)雜性并驗(yàn)證隱存物種。結(jié)合基因組學(xué)方法，并加強(qiáng)整合分類學(xué)研究，將是準(zhǔn)確界定這一快速輻射演化屬中物種邊界的關(guān)鍵。

該成果以High species discrimination in Pedicularis (Orobanchaceae): Plastid genomes and traditional barcodes equally effective via parsimony-informative sites為題發(fā)表在Plant Diversity上。昆明植物所在讀博士研究生吳優(yōu)為第一作者，王紅研究員、版納植物園郁文彬研究員、美國(guó)莫瑟爾大學(xué)Kevin S. Burgess教授為共同通訊作者，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李德銖教授、昆明植物所在讀博士研究生劉榮和已畢業(yè)碩士生王維嘉（現(xiàn)為云南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生）參與了研究。該研究得到中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目、科技部基礎(chǔ)調(diào)查專項(xiàng)和云南省科技廳、版納植物園“十四五”等項(xiàng)目支持。研究得到中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)保藏中心和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、昆明植物所標(biāo)本館等部門的支持與幫助。

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文：吳優(yōu)