《Gene Reports》：Plastome analysis of a desiccation-tolerant grass species,
Oropetium thomaeum: Insights into comparative plastome analysis of Choridoideae (Poaceae)
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该研究完成Oropetium thomaeum叶绿体基因组测序与注释，揭示其基因组结构及演化特征，比较21种近缘物种发现4个高变区域和丰富SSR，系统发育分析确认其属内地位。
Siddharthan Surveswaran|Arun Prasanth|Anusha Gorla|Alok R. Chorghe
印度特伦甘纳邦海得拉巴市Gachibowli区海得拉巴大学生命科学学院植物科学系，邮编500046
摘要 本研究对一种耐旱复苏草Oropetium thomaeum 的叶绿体基因组（质体）进行了测序、组装和注释，以探讨禾本科（Poaceae）中Chloridoideae亚科内质体的进化情况。为了研究结构变异、重复元件、密码子使用偏好、核苷酸多样性以及系统发育关系，我们将O. thomaeum 的质体与其他20种Chloridoideae物种的质体进行了比较。O. thomaeum 的质体具有典型的四部分结构，全长135,282个碱基对，编码132个基因，其中包括86个蛋白质编码基因。比较分析显示，Chloridoideae亚科内质体大小和GC含量具有高度保守性，基因顺序和内容也相对稳定。然而，基因间区域和非编码区域被确定为变异热点。四个高变异区域——trnC-GCA–rpoB 、petN–trnC-GCA 、ccsA–ndhA 和rps16–trnQ-UUG （π > 0.05）——被确定为物种鉴定的潜在分子标记。简单序列重复（SSRs），尤其是单核苷酸重复，在大型单拷贝（LSC）区域最为丰富。密码子使用分析表明，A/T结尾的密码子有较强的偏好。基于完整质体（LSC-SSC-IR区域）和蛋白质编码基因的系统基因组分析得出了一致且得到充分支持的系统发育树，将Oropetium 归类为Cynodonteae族、Tripogoninae亚族，其最近亲缘关系为Tripogon 。本研究首次提供了O. thomaeum 的注释质体序列，为Chloridoideae亚科提供了宝贵的基因组资源，强调了完整质体数据在解析系统发育关系和揭示这一具有生态和农业重要性的草类群体进化趋势方面的有效性。
引言 质体或质体基因组是存在于光合植物细胞质体中的环状DNA分子，它们编码了一部分与光合作用机制、质体DNA复制和质体蛋白质合成相关的基因，其余部分由核基因组中的基因补充。质体大小从120 kb对到180 kb对不等。它们具有保守的结构，包括大型单拷贝（LSC）、小型单拷贝（SSC）和反向重复（IR）区域（Gitzendanner等人，2018年；Huang等人，2014年；Ogoma等人，2022年）。由于质体的保守结构、适度的进化速率和单亲遗传特性，它们已成为植物系统发育学中的重要工具（Jansen和Ruhlman，2012年；Moore等人，2007年）。与核DNA不同，质体基因组是单亲遗传的且缺乏重组，从而简化了系统发育推断（Daniell等人，2016年）。某些植物的质体，尤其是禾本科植物，具有高度保守性（Krawczyk等人，2023年）。质体有时还包含线粒体基因组的部分序列，例如在Anacardium occidentale 的质体中观察到了线粒体基因组的插入（Rabah等人，2017年）。
最近的研究证明了质体数据在解决先前难以处理的系统发育关系方面的有效性，例如快速辐射事件（如豆科植物；Azani等人，2017年）和早期被子植物的分化（如中胚轴被子植物的基部群；Li等人，2019年）。此外，质体系统基因组学有助于通过区分真正的系统发育信号和网状进化来检测杂交和不完全的谱系分化（Ruhfel等人，2014年）。尽管如此，基于质体的系统发育树有时会与核基因组或线粒体基因组树存在冲突，这是由于水平基因转移或谱系特异性进化速率等因素所致。因此，建议将质体数据与核基因组和形态学证据相结合，以构建更为稳健的系统发育树（Wickett等人，2014年）。
在被子植物中，禾本科（Poaceae）是经济和生态上最重要的植物类群之一，包含超过12,000种植物，其中包括水稻（Oryza ）、小麦（Triticum ）和玉米（Zea ）等主要作物（Kellogg，2015年）。早期的禾本科系统发育研究依赖于有限的质体标记（如rbcL 、matK 和ndhF ），这些标记仅能提供部分系统发育信息，尤其是在快速分化的谱系中（GPWG，2001年）。转向全质体测序显著提高了系统发育推断的准确性，增加了信息位点的数量并减少了随机误差（Saarela等人，2018年）。过去十年中，已发表了超过2000个禾本科植物的质体序列。鉴于禾本科植物的农业重要性，质体序列为物种进化、系统发育和生物技术应用提供了重要见解（Hu等人，2023年）。
草类表现出对多种生态条件的极端适应能力，这也是它们广泛分布于所有生物群落的原因（Petermann和Buzhdygan，2021年；Str?mberg和Staver，2022年）。一些草类具有极强的耐旱能力，在称为“无水生物状态”的条件下可以完全干燥（Marks等人，2024年；VanBuren等人，2022年）。Oropetium 就是这样一个被广泛研究的复苏草类（VanBuren等人，2015年；Zhang等人，2018年）。Oropetium thomaeum 的质体序列已存储在GenBank数据库中（MZ620724），但尚未进行注释。相比之下，另一种耐旱草Oropetium aristatum 的质体（登录号：NC_036697，KY432789；凭证：MSB 351931）既已公开也可注释，但尚未用于比较基因组分析，如基因结构、GC含量和基因丢失的研究。
Oropetium 属于禾本科中最大的亚科Chloridoideae，该亚科包括常见的杂草如百慕大草（Cynodon dactylon ）、鹅茅（Eleusine indica ）和指状草（Chloris ），以及重要的小米作物如指状小米（Eleusine coracana ）和苔麸（Eragrostis tef ）。该属包含六个物种，分布于非洲到亚洲的地区。其特征包括不分枝的直立花序；嵌入在坚硬或易断裂的穗轴中的小穗；背腹压缩的小穗，每个小穗含有一朵花；缺乏下颖；以及具有芒的颖片（Kellogg，2015年）。在印度，该属有三种物种：Oropetium almedianum 、O. thomaeum 和O. villosulum ，它们分布在从塔尔沙漠到印度半岛草原的各种干旱热带生物群落中（Bor，1960年；Shinde等人，2023年）。其中O. thomaeum的分布最广，从非洲延伸到亚洲，是该属的模式种。在本研究中，我们提供了O. thomaeum 的完整叶绿体基因组，并对Chloridoideae亚科成员的叶绿体基因组特征进行了比较分析。此外，我们还分析了Chloridoideae亚科内主要属之间的系统发育关系。
采样与测序 Oropetium thomaeum 的植物材料采集自海得拉巴大学校园，并存放在海得拉巴大学标本馆。DNA提取采用CTAB方法进行。下一代测序（NGS）文库制备和测序外包给了海得拉巴的Nucleome Informatics公司（
www.nucleomeinfo.com ）。采用Illumina双端测序技术，每个样本产生了约6 GB的数据（约3 GB正向序列和约3 GB反向序列）。
质体组装与注释 质体基因组组装
Oropetium thomaeum 的叶绿体基因组Oropetium thomaeum 的叶绿体基因组序列已存储在GenBank中（GenBank登录号PX213451）。该叶绿体基因组与大多数种子植物的叶绿体基因组相似，具有典型的四部分结构，由两个反向重复序列（IRs）和一个大型单拷贝区域（LSC）以及一个小型单拷贝区域（SSC）组成（图1）。O. thomaeum 的叶绿体基因组长度为135,282 bp，其中IR、LSC和SSC区域的长度分别为21,080 bp、80,464 bp和12,661 bp。
讨论 Oropetium 属属于Chloridoideae亚科中最大的族Cynodonteae，该族包含约859种植物（Soreng等人，2017年）。O. thomaeum 的叶绿体基因组表现出Chloridoideae亚科其他物种（Wang等人，2022年）和禾本科其他成员（Hiratsuka等人，1989年；Maier等人，1995年）所报道的典型四部分结构。O. thomaeum 的叶绿体基因组长度为135,282 bp，略大于O. aristatum 的133,880 bp。
CRediT作者贡献声明 Siddharthan Surveswaran： 撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源提供、项目管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。Arun Prasanth： 初稿撰写、可视化、方法论设计、研究实施、数据分析。Anusha Gorla： 方法论设计、数据分析。Alok R. Chorghe： 初稿撰写、资源提供、方法论设计、数据分析。
利益冲突声明 作者声明没有利益冲突。
致谢 Siddharthan Surveswaran衷心感谢海得拉巴大学 通过卓越研究所 提供的资金支持（项目编号：UoH-IoE-RC5-22-042），以及DST-FIST计划提供的基础设施支持。APR还感谢Savitribai Phule浦那大学的当局提供的研究设施。
