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叶绿体基因组是药用植物分子鉴定的研究基础,也是叶绿体基因工程以及植物系统发育研究的理想工具。随着高通量测序技术和生物信息学的快速发展,植物叶绿体基因组数量激增,极大地促进了叶绿体基因组相关研究。但药用植物叶绿体基因组数量目前还相对较少,严重阻碍了药用植物亲缘学、分子鉴定及系统发育等相关研究。因此急需扩大药用植物叶绿体全基因组数量并加强叶绿体基因组在药用植物中的研究与应用。 贝母属属内大部分植物具有重要的药用价值,以其干燥鳞茎入药,具有“清热润肺、化痰止咳”之效,药用历史悠久。其中以中药川贝母的药用价值最高,应用最广,在市场上的价格也最高。然而随着川贝母药用资源的匮乏,越来越多的贝母属其它物种被假做川贝母使用,传统鉴别方法难以对其基原进行准确鉴定,严重影响了临床用药的有效性和安全性。 豆蔻属也包含多种重要的药用和香料植物。其中中药豆蔻有两个基原:白豆蔻和爪哇白豆蔻,具有“化湿消痞、行气温中、开胃消食”之效。作为我国传统和重要的进口南药,目前青枯病、立枯病、叶斑病等植物病害已成为中药豆蔻引种的严重障碍,导致资源稀缺。然而国内外关于豆蔻属的研究仍十分匮乏,尤其是分子研究方面,目前豆蔻属叶绿体基因组序列仍未见发表。 因此,本研究基于二代测序技术完成了贝母属10个药典种以及豆蔻属中药豆蔻2个基原物种的叶绿体全基因组测序,并借助生物信息学软件完成了各样本叶绿体基因组组装、注释及相关分析,建立了一种简便、通用且高效的药用植物叶绿体基因组获取技术流程。 贝母属叶绿体基因组长度在150,764 bp~152,186 bp之间。在贝母属叶绿体基因组中共注释出114个不同的基因,包括80个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因,其中有18个基因包含内含子。贝母属叶绿体基因组 SSR分布情况总体差异不大,种内差异小于种间差异。通过差异比较分析发现,贝母属叶绿体基因组非编码区变异大于编码区,SC区变异大于IR区。基于10种26个贝母属叶绿体基因组构建的超级条形码可以在种水平上有效区分贝母属不同物种。此外,以大百合和百合为外类群,基于贝母属叶绿体基因组分别构建的MP树和ML树的拓扑结构完全一致,支持浙贝母和湖北贝母与川贝母类群的亲缘关系最近。 白豆蔻叶绿体基因组大小为162,766 bp,爪哇白豆蔻叶绿体基因组大小为163,553 bp。豆蔻属两个物种叶绿体基因组共注释出114个不同的基因,包括80个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因,其中有18个基因包含内含子。重复序列分析在白豆蔻叶绿体基因组中共检测到299个简单重复序列和27个散在重复序列;在爪哇白豆蔻叶绿体基因组中共检测到306个简单重复序列和24个散在重复序列。通过四个姜科物种叶绿体基因组结构比较分析发现,白豆蔻叶绿体基因组IR区发生了明显扩张,非编码区变异大于编码区, SC区变异大于IR区。本研究利用叶绿体基因组共有蛋白质编码基因序列重建了鸭跖草目系统发育树,MP树与ML树具有相似的拓扑结构。结果显示,以白豆蔻为代表的豆蔻属物种,与以艳山姜为代表的山姜属物种互为姊妹群,而山姜属部分植物在我国古代也被用作中药豆蔻使用。鸭跖草目内部各大类群的分类地位也与APG IV结果基本相符。 综上所述,本研究方法在药用植物叶绿体全基因组获取及分析上具有普遍推广意义,在药用植物学研究领域具有巨大的应用潜力。获得精准的药用植物叶绿体全基因组数据,将为后续研究提供分子基础,并为传统条形码鉴定困难的药用植物种属提供新的行之有效的工具。