JSE | 菊花品种的起源——来自叶绿体基因组和细胞核LFY基因的证据

原文链接：https://doi.org/10.1111/jse.12682

作为一名初涉此领域的学习者，笔者怀着谦卑之心拜读了这篇论文，阅读之后深感受益匪浅，特此整理个人心得与总结如下。鉴于笔者尚处于学习探索阶段，文中若有理解不当或遗漏之处，恳请各位不吝赐教，您的宝贵意见与指正将是我进步的阶梯。

1. 研究对象：29种菊花叶绿体基因组，以及菊花15个种和11个常见栽培品种共32个样品的LFY基因序列。

2. 技术路线：

（1）物种采样与外群选择

采样范围：研究采集了29个菊属物种和栽培种的样本，包括中国分布的15个野生菊属物种和12个栽培种。这些样本覆盖了菊属植物的广泛地理分布和多样性。

外群选择：选择了与菊属亲缘关系较近的Ajania variifolia作为外群，用于系统发育分析中的比较。

（2）DNA提取与基因组测序

DNA提取：从每个样本的叶片中提取全基因组DNA，采用的是CTAB方法的修订版本。为了保证DNA质量，样本的叶片被用硅胶干燥后处理。

基因组测序：使用Illumina HiSeq2500和MiSeq测序平台对样本进行高通量测序，分别生成150bp和300bp的配对末端读取序列。测序数据的总大小在5.9亿到3.1亿对序列之间，覆盖的叶绿体基因组长度在150,816到151,207 bp之间。

（3） 叶绿体基因组组装、注释与比较

数据处理与组装：在组装之前，使用Trimmomatic软件过滤低质量的测序数据和适配器序列，之后通过Velvet和Geneious软件进行de novo和参考基因组引导的组装。最终得到每个样本的完整叶绿体基因组序列。

基因组注释：使用DOGMA和tRNA scan-SE等工具对叶绿体基因组进行注释，并手动校正蛋白编码基因的起始和终止密码子以及内含子/外显子边界。

基因组比较：通过MAFFT对所有菊属样本进行基因组比对，并使用Mauve进行共线性分析。对比分析揭示了物种间的叶绿体基因组结构和基因顺序的高度保守性。

（4）简单重复序列（SSR）分析与高变区检测

SSR检测：在叶绿体基因组中，使用Gramene数据库的Simple Sequence Repeat Identification Tool检测SSR（简单重复序列）区域，包括二核苷酸、三核苷酸和更复杂的重复单元。

高变区检测：利用DnaSP软件对菊属物种的叶绿体基因组进行滑动窗口分析，识别出高变异的区域，特别是Pi值大于0.005的区段，这些区段通常集中在一些非编码区域和ycf1等基因。

（5） LFY基因的克隆与序列分析

LFY基因的克隆：从14个野生菊属物种、5个栽培种以及4个其他菊科植物中克隆LFY基因，得到完整的基因序列。结合先前的研究数据，对35个样本进行了LFY基因的序列分析。

序列特征分析：分析了LFY基因的外显子和内含子的长度和碱基组成，并识别出基因中存在的可变位点。LFY基因在菊属物种中的序列长度变异较大，尤其是在内含子区域。

（6） 系统发育分析

叶绿体基因组系统发育分析：使用RAxML和MrBayes软件基于叶绿体基因组的全序列进行最大似然（ML）和贝叶斯推断（BI）系统发育分析。为树构建选择了GTR+G模型，并通过1000次自举重复验证树的稳定性。BI分析通过独立的Markov Chain Monte Carlo计算生成了一个50%多数规则的共识树。

LFY基因的系统发育分析：利用PartitionFinder2软件对LFY基因数据集进行分区，并进行BI分析。使用FigTree软件对系统发育树进行可视化，揭示了菊属物种之间的亲缘关系。

（7） 结果解释与讨论

系统发育结果：在叶绿体基因组分析中，所有栽培菊花样本形成了一个独立的分支，显示它们与野生菊属物种有明显的区分。LFY基因的分析显示栽培菊花样本与不同的野生物种分组在一起，支持了多个父本物种的贡献假设。

3. 结论：

（1）菊花的复杂起源：

栽培菊花的起源并非由单一或少数几个野生物种所贡献，而是通过多个野生物种的多次杂交形成的。

在研究中，多个野生菊属物种（如C. indicum、C. zawadskii、C. dichrum、C. nankingense、C. argyrophyllum和C. vestitum）被推测为大多数栽培菊花的父本。

（2） 母本的推测：

叶绿体基因组分析显示，所有栽培菊花样本聚集成一个独立的分支，与其他野生物种明显区分开来。

研究推测，这些栽培菊花的母本可能来源于一条已灭绝的野生菊属物种谱系及其后代，这些母本在菊属栽培种的进化中起到了关键作用。

（3） 杂交和基因流动的高频率：

菊属植物表现出高度的杂交和基因流动，这些现象在先前的研究中已被观察到。

该研究进一步支持了菊属植物的杂交频率和基因流动性，揭示了栽培菊花复杂的遗传背景和多样化的起源。

（4）菊属植物系统发育关系的揭示：

研究通过叶绿体基因组和核LFY基因的分析，重建了菊属植物的系统发育关系，确认了不同物种之间的进化联系。

特别是，研究发现了两个隐蔽的物种（C. vestitum在安徽和河南省的天柱山和伏牛山），这为菊属植物的分类学研究和物种保护提供了新的见解。

（5）对菊属栽培种的影响：

研究提供的系统发育关系和起源信息，为菊属栽培种的种质资源保护、物种鉴定、分类学研究、以及未来的品种改良和育种工作奠定了基础。

（6）新的研究框架与资源：

这是首次利用叶绿体基因组推断菊属栽培种的驯化历史，研究结果为菊属植物的种质资源管理、物种鉴定、分类学研究、保护生物学和植物育种等提供了新的遗传资源和研究框架。