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植物DNA条形码研究新认知：马先蒿属超级条形码并未显著提升物种鉴别能力

来源：花匠小妙招时间：2025-10-20 22:06

近年来，完整质体基因组因其包含更全面的遗传信息，被寄望成为新一代“超级条形码”，尤其在标准条形码难以区分的近缘物种中展现潜力。然而，很少有研究系统性地探讨分类复杂性——特别是那些具有复杂演化历史的快速辐射进化支系——如何影响质体基因组尺度条形码的有效性。马先蒿属（Pedicularis）是被子植物中最大的半寄生植物属之一，全球有将近700种，有超过60%的马先蒿物种在喜马拉雅—横断山区集中分布，该区域内马先蒿属物种在地理分布、生境以及花形态特征上都展现出了极为丰富的多样性（图1），并且经历了快速的辐射演化。因此马先蒿属是一个非常理想的范例来探究条形码的鉴别机制。

图1马先蒿属物种形态多样性。(a) P. salviiflora; (b) P. rex; (c) P. integrifolia; (d) P. leptosiphon; (e) P. oederi; (f) P. lutescens; (g) P. vialii; (h) P. cranolopha.

为探讨这一问题，中国科学院昆明植物研究所（以下简称“昆明植物所”）联合中国科学院西双版纳热带植物园（以下简称“版纳植物园”）、山东农业大学、美国莫瑟尔大学（Mercer University）等单位科研人员，对该类群进行了系统的条形码研究。研究团队采集了主要分布于中国喜马拉雅—横断山区的96个马先蒿属物种共292份样品（图2），通过基因组浅层测序获取了叶绿体全基因组和核糖体nrITS序列，系统地评估了“超级条形码”（叶绿体基因组）、传统的标准条形码（rbcL、matK、trnH-psbA、nrITS）、叶绿体高变区等片段及组合的物种鉴定效率，并进一步探讨了可能影响物种鉴定效率的内在遗传因素。

图2基于质体编码序列构建的最大似然树。系统发育树末端未标注物种名称的分支代表利用本数据集无法鉴定的样本；橙色菱形标识表示基于本研究中所有数据集均未能鉴定的样本。环绕系统发育树的14层环形图依次代表从内向外排列的14个基因：accD、ccsA、ndhA、ndhB、ndhC、ndhD、ndhE、ndhF、ndhG、ndhH、ndhI、ndhJ、ndhK和ycf15。四种颜色对应各基因状态：（0）完整有功能，（1）存在提前终止密码子的完整序列，（2）部分缺失，（3）完全缺失。最外层的灰色条形环表示假基因化程度，柱状图越高表明假基因化程度越高。

研究结果表明，标准DNA条形码在马先蒿这一半寄生植物属中具有与质体基因组尺度条形码相媲美的物种鉴定能力。影响物种鉴定能力的关键因素包括序列比对长度和简约信息位点比例（图3），同时受宽松选择约束的保守基因展现出更强的鉴别能力（图4 和图5）。研究同时揭示了马先蒿属内因快速分化、杂交及谱系不完全分选所造成的物种鉴别困境。叶绿体与核标记（如nrITS）之间的系统发育冲突，印证了历史基因渗入与地理隔离的影响，在近期分化的支系中尤为显著。形态特征的趋同演化与隐存物种形成进一步增加了分类划界的难度，例如在形态上高度一致的物种（如大卫氏马先蒿）中发现了多个独立支系。

图3 基于71个基因区域的序列特征与物种鉴别能力相关性分析。序列特征包括比对长度（AL）、可变位点数量（NVS）、可变位点百分比（PVS）、简约信息位点数量（NPIS）、简约信息位点百分比（PPIS）以及鉴定物种数量（NIS）。(A) 六个变量的相关性分析。相关性强度通过每个方格中的饼图大小、颜色深浅及对应数值表示：饼图越大、颜色越深、数值越高代表相关性越强（蓝色表示正相关，红色表示负相关）。(B) 以NIS作为响应变量、其余变量作为预测因子进行的全子集回归（ASR）分析。纵坐标表示不同变量组合模型的调整后判定系数（R2adj），横坐标表示变量。不同颜色的矩形代表不同的解释度水平。

图4 选择压力分析结果。图示包含两个组成部分：（1）虚线以上展示RELAX软件的选择强度评估结果。柱状图显示选择压力类型，蓝色代表强化选择，红色代表松弛选择。（2）虚线以下呈现利用TBtools计算的非同义替换率（Ka）与同义替换率（Ks）比值结果。箱形图描绘Ka/Ks值的分布区间。基因按鉴别能力从左至右降序排列。

图5 箱形图展示了经历不同选择强度（松弛选择与强化选择）的基因在鉴别能力上的差异。66个CDS基因中，36个基因经历强化选择（n=36），30个基因经历松弛选择（n=30）。纵坐标为各基因鉴定的物种数量。红色线条代表中位数，绿色三角表示平均值。P值为Mann-Whitney U test结果（具有显著差异）。

这些发现表明，在马先蒿属中，单纯使用质体DNA条形码可能已接近其理论鉴定极限（约80%），剩余的不确定性很可能反映了分类学界定的不一致或质体数据自身的局限性。未来研究需整合核基因组标记，以解析杂交导致的复杂性并验证隐存物种。结合基因组学方法，并加强整合分类学研究，将是准确界定这一快速辐射演化属中物种边界的关键。

该成果以High species discrimination in Pedicularis (Orobanchaceae): Plastid genomes and traditional barcodes equally effective via parsimony-informative sites为题发表在Plant Diversity上。昆明植物所在读博士研究生吴优为第一作者，王红研究员、版纳植物园郁文彬研究员、美国莫瑟尔大学Kevin S. Burgess教授为共同通讯作者，山东农业大学李德铢教授、昆明植物所在读博士研究生刘荣和已毕业硕士生王维嘉（现为云南农业大学博士生）参与了研究。该研究得到中国科学院先导项目、科技部基础调查专项和云南省科技厅、版纳植物园“十四五”等项目支持。研究得到中国西南野生生物种质资源库保藏中心和分子生物学实验平台、昆明植物所标本馆等部门的支持与帮助。