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有毒植物一般指对人和家畜等产生有害作用的植物,其富含的生物碱、苷类等有毒成分,对神经系统、呼吸系统等有很大伤害。实际上,许多有毒植物也是药用植物,具有重要的药用和经济价值。本研究的橐吾属和麻黄属植物均具有悠久的药用历史,但某些橐吾属植物含吡咯里西啶类生物碱,具有肝毒性,含麻黄碱的麻黄属植物过量使用会引起中枢神经系统兴奋,从而导致中毒。因此,对其进行准确鉴定不仅能够保障安全用药,还能避免不必要的损失。本研究通过总基因组DNA提取、Illumina高通量测序、序列拼接和组装,得到叶绿体全基因组,然后进行序列注释与提交、结构分析和系统发育分析,分别对橐吾属和麻黄属的植物进行鉴定研究,以期为这两个属的物种鉴定和安全用药提供理论基础。1.橐吾属植物为菊科多年生草本,该属约有140个种,一些物种的根常以“紫菀”或“山紫菀”之名入药,国内有30余种长期作为民族药用于治疗疾病。该属种间杂交普遍存在、形态变化复杂,使用通用DNA条形码也没有得到理想的鉴定效果。本文基于叶绿体基因组对六种橐吾属植物,即狭苞橐吾Ligularia intermedia Nakai、复序槖吾Ligulariajaluensis Kom.、全缘橐吾 Ligularia mongolica(Turcz.)DC.、鹿蹄橐吾Ligularia hodgsonii Hook.、离舌橐吾Ligularia veitchiana(Hemsl.)Greenm.和蹄叶橐吾Ligularia fiascheri(Ledeb.)Turcz.进行鉴定研究。(1)六种橐吾属植物叶绿体基因组均呈环状四分体结构,包括一个大单拷贝区(largesingle-copy,LSC)、一个小单拷贝区(smallsingle-copy,SSC)和两个反向重复区(invertedrepeats,分别为IRa和IRb),叶绿体基因组大小为151,118-151,253 bp,SSC、LSC和IR区长度分别约为18.2kb、83 kb和24.8kb,GC含量均为37.5%。(2)六种橐吾属植物叶绿体基因组均编码134个基因,包括87个蛋白编码基因,37个tRNA基因,8个rRNA基因和2个假基因(ycf1和rps19)。(3)六种橐吾属植物叶绿体基因组含不同类型和数量的长重复序列,且均含4种类型的简单重复序列(simplesequencerepeats,SSRs),其中,单核昔酸数量占所有SSRs的56.6-60.7%,二核苷酸占11.5-13.2%,三核苷酸占9.3-9.8%,四核苷酸占18.0-21.6%,SSRs主要分布在单拷贝区的非编码区。(4)六种橐吾属植物叶绿体基因组序列的结构和组成高度相似。如大多数菊科物种,这六个叶绿体基因组在LSC区的23 kb的大倒置区(inversion)中有一个3.4 kb的小倒置区。叶绿体基因组全局比对未筛选到高变区用于这六个物种的鉴定,同时,六种橐吾属叶绿体全基因组比对发现,叶绿体全基因组有望作为超级条形码用于橐吾属物种的鉴定。基于叶绿体全基因组构建ML(maximum likelihood,最大似然法)系统发育树,发现六个橐吾属物种组成一个单系,支持率为100%。2.麻黄属植物为麻黄科灌木,该属约有40种植物,分布在亚洲、欧洲东南部、北非和美洲的干旱、荒漠地区。该属植物在形态上较难区分,通用DNA条形码也未能将《中国药典》收载的草麻黄Ephetdra sinica Stapf、中麻黄Ephedraa intermedia Schrenk ex Mey.和木贼麻黄Ephedra equisetina Bge.鉴别开。本研究对这三种麻黄属植物的叶绿体基因组进行解析、比较,并进行鉴定研究。(1)三种麻黄属植物叶绿体基因组均为环状四分体结构,叶绿体基因组大小为109,550-109,667bp,LSC、SSC和IR区长度分别约为59.9kb、8kb和20.7kb,GC含量约为37%,LSC和IR区GC含量分别为34.2%和42%,SSC区GC含量为27.3-27.8%。(2)三种麻黄属植物叶绿体基因组均编码118个基因,包括73个蛋白编码基因,37个tRNA基因和8个rRNA基因,与烟草属Nicotiana L.相比,其叶绿体基因组缺失 NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide,还原型辅酶 Ⅰ)脱氢酶基因、rps16、rpl23、rpl32、ycf1和 accD 基因,但含 chl基因(chlB,chlL 和 chlN 和光系统 Ⅱ相关基因psbL、psbM、psbN、psbT、psbZ。(3)三种麻黄属植物叶绿体基因组中SSRs数量分别为55,62和59个。中麻黄LSC、IRa、IRb、SSC区分别有37、4、4、10个SSRs,草麻黄分别有39、5、5、13个SSRs,木贼麻黄分别有41、4、4、10个SSRs。三种麻黄属植物叶绿体基因组含不同类型和数量的长重复序列。(4)三种麻黄属植物叶绿体基因组全局比对筛选出11个变化较大的区域,包括 2 个基因(ycf3和rpl2)和 9 个基因间隔区(psbZ-trnG,petN-rpoB,trnR-trnM,psbJ-rpl20,clpP-psbB,rrn16-trnI,rps15-ccsA,ycf1-ccsA,和trnV-rps12),可作为鉴定麻黄属物种的潜在DNA条形码。基于53个共有蛋白编码基因构建的ML和MP(maximumparsimony,最大简约法)系统发育树表明,叶绿体基因组有望用于鉴定麻黄属植物,本研究为麻黄属的安全用药和裸子植物系统发育关系分析提供了理论基础。