下载:
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叶绿体基因组为植物质体遗传体系之一，是由大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)以及穿插在它们之间的一对碱基组成相同、排列方向相反的反向重复区(IR)构成的环状双链四分体，通常编码约130个主要与光合作用以及叶绿体自身复制相关的基因[1−2]。叶绿体基因组是研究植物物种鉴别、进化生物学和遗传多样性的新思路，并且已有较多的应用实例。SONG等[3]比较了27种安息香属Styrax植物的叶绿体基因组序列，筛选出6个高突变序列，其中ycf1b和trnT-trnL是安息香属物种鉴别的特异性DNA条形码。LIU等[4]利用叶绿体基因组序列探讨了11种燕麦属Avena植物的系统进化关系，支持燕麦属的单系性，并且认为该属包括2个遗传支系。JO等[5]基于饲料作物大花野豌豆Vicia bungei的叶绿体简单重复序列(SSR)开发出232个分子标记，并将其中39个分子标记应用于野豌豆属Vicia中7个物种的遗传多样性分析。
了哥王Wikstroemia indica是瑞香科Thymelaeaceae荛花属Wikstroemia常绿灌木植物，全株有毒，分布于中国广东、广西、海南、福建、湖南、浙江、云南、贵州、四川以及台湾等大部分省区，多见于海拔1 500 m以下开旷的林下或石山上，野生时一般分布在山坡灌木丛中或路边、村边等[6]。了哥王的干燥根及根皮可入药，能清热解毒、消肿散结、止痛，多用来治疗支气管炎、肺炎、乳腺炎等多种炎症以及跌打损伤[7]，已被开发成了哥王片、了哥王胶囊、了哥王颗粒、祛伤消肿酊等制剂。了哥王含有黄酮、木质素、香豆素、甾体、挥发油等化学成分，具有抗炎、抗菌、抗病毒、抗肿瘤等药理活性[8−9]。了哥王根叶煮汁可作杀虫剂，茎皮纤维可以制作高级纸张和人造棉[6]。了哥王还是一种观赏性园林植物[10]。因此，了哥王具有较高的药用、经济和社会价值。
了哥王原以野生采收为主要来源，随着市场需求的快速增加，了哥王遭到过度开采，不少产地的野生蕴藏量急剧下降，出现资源匮乏甚至枯竭的情况[11]。本研究分析了哥王叶绿体基因组序列的结构和基因组成、密码子偏好性、SSR等特征，比较了哥王与近缘植物的叶绿体基因组序列差异，并基于叶绿体基因组探究了哥王的进化位置，旨在为了哥王的品种鉴定、育种栽培、遗传背景和系统进化等资源保护和可持续利用提供科学依据。
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了哥王植株于2022年6月采自广西壮族自治区钦州市钦北区，经广东医科大学天然药物研究与开发重点实验室吴科锋研究员鉴定。取了哥王植株的新鲜叶片，使用北京康为世纪生物科技公司生产的磁珠法植物DNA提取试剂盒提取了哥王的总DNA，随后采用美国Illumina公司生产的NexteraXT DNA测序文库制备试剂盒构建了哥王的叶绿体基因组测序文库。
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通过美国Illumina公司的Novaseq 6000高通量测序平台完成了哥王叶绿体基因组测序。测得的原始序列经滤除试剂盒附带的接头序列和含有无法确定碱基的劣质序列后，获得合格的可分析读序。采用SPAdes软件对可分析读序进行序列拼接，并运用plastid genome annotator软件对序列中含有的基因进行功能注释。拼接和注释后的了哥王叶绿体基因组序列和基因信息提交至GenBank保存(序列登记号为OQ831641)，并提交到OGDRAW在线工具(
https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/OGDraw.html )绘制物理图谱。 -
参照黄琼林[12]的研究，采用CodonW v1.3软件计算了哥王叶绿体基因组全部密码子的相对同义密码子使用情况(RSCU)值，评价其使用频率，RSCU＞1为高频使用密码子。参照吴民华等[13]的研究，使用MISA软件(
https://webblast.ipk-gatersleben.de/misa/ )检索了哥王的SSR，分析其类型、组成基序、数量和分布等特点。 -
利用IRscope在线软件(
https://irscope.shinyapps.io/irapp/ )比较了哥王与同属植物细轴荛花W. nutans (MW393702)、荛花W. canescens (MW073911)、头序荛花W. capitate (MW073909)以及同科植物长柱瑞香Daphne championii (MT648376)叶绿体基因组IR边界(即IR贴近相邻LSC或SSC的碱基)的位置差异。采用设置为Shuffle-LAGAN模式的mVISTA软件(https://genome.lbl.gov/vista/index.shtml )进行前述5种瑞香科植物叶绿体基因组的多重序列比对，明确它们之间的碱基差异。 -
为探究了哥王在荛花属和瑞香科内的进化关系，在GenBank中下载已公开发布的瑞香科及其相关类群菱科Trapaceae、桃金娘科Myrtaceae植物叶绿体基因组序列，并以与了哥王亲缘关系较远的单子叶植物高良姜Alpinia officinarum的叶绿体基因序列作为外群，将所有下载序列与本研究测得的了哥王叶绿体基因组序列一起提交到MAFFT软件进行多重比对及对齐，随后导入设置为GTRGAMMA模型的RAxML软件构建系统进化树。
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如图1所示：了哥王叶绿体基因组由位于1~86 347 bp的LSC、86 348~112 805 bp的IRA、112 806~123 407 bp的SSC和123 408~149 864 bp的IRB依顺时针排列而成，呈现为149 864 bp的环状双链四分体分子。了哥王叶绿体基因组的GC含量较低，仅为37.5%。
图 1 了哥王叶绿体基因组
Figure 1. Chloroplast geome of W. indica
从表1可见：了哥王叶绿体共有124个基因，包括79个蛋白质编码基因、8个核糖体RNA基因和37个转运RNA基因。这些基因中有14个基因(trnK-UUU、rps16、trnG-UCC、atpF、rpoC1、trnL-UAA、trnV-UAC、petB、petD、rpl16、rpl2、ndhB、trnI-GAU、trnA-UGC)含有1个内含子，1个基因(ycf3)存在2个内含子；17个基因(ndhB、rps7、rpl2、rpl23、ycf1、ycf2、rrn4.5、rrn5、rrn16、rrn23、trnI-CAU、trnL-CAA、trnV-GAC、trnI-GAU、trnA-UGC、trnR-ACG、trnN-GUU)具有2个拷贝。
表 1 了哥王叶绿体基因组基因组成和功能注释
Table 1. Gene composition and annotation in W. indica chloroplast genome
基因类别 基因功能 基因名称 蛋白质编码基因 ATP合成酶 atpA, atpB, atpE, atpF1, atpH, atpI 细胞色素b/f复合物 petA, petB1, petD1, petG, petL, petN NADH脱氢酶 ndhB1*, ndhD, ndhE, ndhF, ndhH, ndhK 光合系统Ⅰ psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ 光合系统Ⅱ psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, psbZ 核糖体蛋白质小亚基 rps2, rps3, rps4, rps7*, rps8, rps11, rps12#, rps14, rps15, rps161, rps18, rps19 核糖体蛋白质大亚基 rpl21*, rpl14, rpl161, rpl20, rpl22, rpl23*, rpl32, rpl33, rpl36 RNA 聚合酶 rpoA, rpoB, rpoC11, rpoC2 假定叶绿体阅读框 ycf1*, ycf2*, ycf32, ycf4 其他基因 matK, rbcL, cemA, accD, ccsA, clpP 核糖体RNAs rrn4.5*, rrn5*, rrn16*, rrn23* 转运RNAs trnH-GUG, trnK-UUU1, trnM-CAU, trnI-CAU*, trnV-UAC1, trnF-GAA, trnL-UAA1, trnT-UGU, trnS- GGA, trnfM-CAU, trnG-GCC, trnS-UGA, trnT-GGU, trnE-UUC, trnY-GUA, trnD-GUC, trnC-GCA, trnR-UCU, trnG-UCC1, trnS-GCU, trnQ-UUG, trnW-CCA, trnP-UGG, trnL-CAA*, trnV-GAC*, trnI-GAU1*, trnA-UGC1*, trnR-ACG*, trnN-GUU*, trnL-UAG 说明：上标1表示含有1个内含子，上标2表示含有2个内含子，#表示反式剪接基因，*表示双拷贝基因。 -
通过CodonW软件，在了哥王叶绿体基因组的编码区共找到24 180个密码子，包括24 100个氨基酸编码密码子和80个终止密码子。如图2所示：61种氨基酸编码密码子编码20种氨基酸，终止密码子有3种。编码相同氨基酸的多种密码子即称为同义密码子，除了甲硫氨酸(Met)和色氨酸(Trp)外，其余18种氨基酸均有2~6种同义密码子。除了AUG (单独编码Met)和UGG (单独编码Trp)的RSCU为1外，有30种密码子的RSCU＞1，为高频使用密码子；其余32种密码子的RSCU＜1，属于低频使用密码子。在30种高频使用密码子中，有29种的第3位碱基是A/T，表明了哥王叶绿体基因组偏好使用A/T结尾的密码子。
图 2 了哥王叶绿体基因组密码子的RSCU值
Figure 2. RSCU value of all codon in W. indica chloroplast genome
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以设定的参数通过MISA软件查找，在了哥王叶绿体基因组中发现93个SSR，由72个单核苷酸、11个二核苷酸、4个三核苷酸、5个四核苷酸以及1个五核苷酸组成(表2)。在各类SSR中，A/T、AT/AT、AAT/ATT、AAAT/ATTT、AATAG/ATTCT分别是优势基序，数量依次是72、9、3、3、1个，分别占单核苷酸的100.0%、二核苷酸的81.2%、三核苷酸的75.0%、四核苷酸的60.0%和五核苷酸的100.0%。可见，由A/T及组合形成的基序数量最多，分别包括72个单核苷酸、9个二核苷酸、3个三核苷酸、4个四核苷酸，共占SSR总数的94.6%。因此，了哥王以A/T及组合形成的SSR居多，与其叶绿体基因组低GC含量的情况相符。在分布区域上来看，了哥王SSR主要分布在LSC，而SSC和IR较少；从所有位置上来看，这些SSR主要位于基因间隔区(IGS)，基因内含子次之，编码区(CDS)则最少。说明了哥王叶绿体SSR分布广泛且不均匀，多态性较为丰富。
表 2 了哥王叶绿体基因组SSR位点的统计
Table 2. Summaries of SSR loci in W. indica chloroplast genome
类型 重复基序 数量 分布区域 所在位置 LSC SSC IR IGS Intron CDS 单核苷酸 A/T 72 56 8 8 48 14 10 二核苷酸 AT/AT 9 9 0 0 5 3 1 AC/GT 1 1 0 0 1 0 0 AG/CT 1 1 0 0 1 0 0 三核苷酸 AAT/ATT 3 1 0 2 1 2 0 AAG/CTT 1 1 0 0 0 1 0 四核苷酸 AAAT/ATTT 3 2 1 0 1 1 1 AATC /ATTG 1 0 1 0 0 0 1 AATT/AATT 1 1 0 0 0 0 1 五核苷酸 AATAG/ATTCT 1 1 0 0 1 0 0 合计 93 73 10 10 58 21 14 说明：LSC为大单拷贝区；SSC为小单拷贝区；IR为反向重复区；IGS基因间隔区；Intron为内含子；CDS为编码区。 -
叶绿体基因组的2个IR在邻近LSC、SSC的位置形成边界，分别称作JLB (IRB-LSC)、JSB (IRB-SSC)、JSA (IRA-SSC)和JLA (IRA-LSC)。如图3所示：了哥王等4种荛花属植物的JLB均处于rpl19和rpl2之间的IGS，瑞香属Daphne植物长柱瑞香的JLB则在rpl16内。了哥王的JSB在ycf1内，细轴荛花的JSB在ycf1和rpl132之间的IGS，其余植物的JSB则在ndhF内。了哥王和细轴荛花的JSA都在ycf1内，且都在距离该基因5′端的1 085 bp处，其余植物的JSA则在rpl132和trnL之间的IGS。了哥王等4种荛花属植物的JLA均落在rpl2和trnH之间的IGS，长柱瑞香的JLA则位于rps3和trnH之间的IGS。由此可见，了哥王与其他4种植物的IR边界存在较为明显的差异(尤其是JSB)，说明叶绿体基因组在了哥王等瑞香科植物进化过程中发生了不同程度的IR扩张和收缩。
图 3 瑞香科5种植物叶绿体基因组IR边界的差异分析
Figure 3. IR boundaries divergence of chloroplast genomes from 5 Thymelaeaceae plants
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如图4所示：了哥王与细轴荛花的序列相似度最高，仅在psbE-petL、atpF-atpH等IGS看到少量的碱基突变，并且编码区的序列完全一致。了哥王与另外2种荛花属植物荛花、头序荛花有着较明显的序列差异，几乎所有的IGS、内含子等非编码区序列均可见碱基突变，而且psbA、trnK-UUU、rpoC2、rpoC1、rpoB、accD、rpoA等多个基因也可见变异。了哥王与不同属的长柱瑞香则存在更加显著的序列差异，说明叶绿体基因序列差异与物种的亲缘关系密切相关。
图 4 瑞香科5种植物叶绿体基因组的多重序列比对
Figure 4. Multiple alignment of chloroplast genome sequences from 5 Thymelaeaceae plants
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从图5可见：在科水平上，瑞香科、菱科、桃金娘科均形成独立的分支，并与外群高良姜分开。在瑞香科内，沉香属Aquilaria、荛花属和瑞香属各自形成分支，其中荛花属与瑞香属聚在一起，说明这2个属的亲缘关系更近。在荛花属内，9个物种大致聚成3个类群，类群Ⅰ包括荛花和互生叶荛花Wikstroemia canescens，类群Ⅱ含有小黄构W. micrantha、革叶荛花W. scytophylla和一把香W. dolichantha，类群Ⅲ则有了哥王、细轴荛花、北江荛花W. monnula、河朔荛花W. chamaedaphne和头序荛花。了哥王与细轴荛花最先聚成一个分支，表明它们具有最近的亲缘关系。
图 5 了哥王等植物的系统进化树
Figure 5. Phylogenetic tree among various plants including W. indica
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研究发现：了哥王叶绿体基因组由LSC、SSC和两者之间的一对IR形成，呈现为陆生植物叶绿体基因组典型的环状双链四分体结构[14−15]。了哥王叶绿体基因组长度为149 864 bp，也介于被子植物叶绿体基因组110~160 kb范围内[16]。了哥王叶绿体基因组的GC含量为37.5%，与被子植物如瑞香科瑞香属[17]、豆科Leguminosae和蝶形亚科Papilionoideae[18]、兰科Orchidaceae[19]等物种的叶绿体基因组普遍存在的较低GC含量相符。叶绿体基因组作为执行光合作用的细胞器，容易受到光照等自然因素造成的选择压力的影响，在长期的进化过程中，叶绿体基因组可能发生了碱基替换和基因重组，导致其GC含量降低。此外，较低GC含量的DNA更容易解链，推测可以促进叶绿体基因组的重组，从而更好适应自然选择。在基因数量和组成上，了哥王叶绿体基因组共有124个基因，以与光合作用相关的基因及叶绿体自身复制所需的基因为主，也符合被子植物叶绿体基因组的基因构成[20]。因此，了哥王叶绿体基因组具有植物叶绿体基因组的共性特征。
植物在自然选择、碱基突变的作用下会形成一套与其自身进化相适应的常用密码子，以执行编码氨基酸或终止氨基酸翻译的功能。本研究在了哥王叶绿体基因组发现30种高频使用密码子(RSCU＞1)，包括29种氨基酸编码密码子和1种终止密码子，这些高频使用密码子比其他同义密码子更常被使用。除了编码亮氨酸(Leu)的UUG，其他高频密码子的末位碱基都是A/T。而且，在编码Leu的6种同义密码子中，UUG是使用频率较高的密码子(RSCU=1.26)，排第3位，最高的是UUA (RSCU=1.84)，其次是CUU (RSCU=1.30)。由此可见，了哥王叶绿体基因组编码20种氨基酸以及终止密码子最常用都是末位碱基为A/T的密码子，具有一定的密码子使用偏好性。相同的密码子偏好性也出现在金银花大毛花Lonicera japonica ‘Damaohua’[21]、高良姜[12]、菠萝Ananas comosus[22]等植物中。
SSR为一种具有丰富多态性的显性DNA标记，是研究植物品种鉴别、多样性分析以及构建遗传图谱、辅助分子育种的有效手段。利用MISA软件对了哥王叶绿体SSR进行定位和统计，发现了哥王含93个叶绿体SSR，且以A或T碱基及其组成的基序，尤其是polyA或polyT单核苷酸为优势类型，以分布在LSC和IGS为主，与北陵鸢尾Iris typhifolia[23]、露兜树Pandanus tectorius[13]、闭鞘姜Helenia speciosa [24]等植物的SSR特点相同。
IR被认为是叶绿体基因组中序列最为保守的区域，但IR经常会发生扩张和收缩，从而引起IR乃至整个叶绿体基因组长度的变化。因此，IR边界是比较物种叶绿体基因组差异的重要指标。本研究发现：了哥王与细轴荛花同属近缘植物的IR边界特别是SSC和IRB之间的JSB具有明显的不同。并且全序列比对显示：了哥王与细轴荛花同属近缘植物在IGS (如psbE-petL、atpF-atpH)等非编码区具有碱基变异。这些结果提示叶绿体基因组序列可以为了哥王及其近缘物种的鉴别提供依据。此外，系统进化树也直观地展示了了哥王的进化位置及其与相关近缘植物的亲缘关系，聚类效果良好。
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本研究结果表明：了哥王叶绿体基因组为149 864 bp的环状双链四分体分子，GC含量为37.5%，含124个基因；偏好使用以A/T结尾的密码子；SSR以polyA或polyT单核苷酸为主。了哥王与细轴荛花具有最近的亲缘关系。
Analysis on chloroplast genome of Wikstroemia indica
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摘要:
目的 阐明药用植物了哥王Wikstroemia indica的叶绿体基因组结构特点及系统进化地位，为了哥王的资源保护和可持续利用提供科学依据。 方法 采用Illumina测序平台进行了哥王叶绿体基因组测序，并通过生物信息技术和软件进行序列拼接、注释以及比对和系统进化分析。 结果 了哥王叶绿体基因组全长为149 864 bp，由86 347 bp的大单拷贝区(LSC)、10 601 bp的小单拷贝区(SSC)以及穿插在它们之间均为26 458 bp的一对反向重复区(IR)构成，具有环状双链四分体结构，包含124个基因。在了哥王叶绿体基因组中共找到64种24 180个密码子，其中30种为高频使用密码子，高频使用密码子中又有29种是以A/T结尾；搜索到93个简单重复序列(SSR)，其中单核苷酸重复居多(72个)，且以A或T及两者组合形成的基序为优势基序。了哥王与近缘植物的叶绿体基因组IR边界存在较为明显的变异。序列比较和系统进化树显示了哥王与同属细轴荛花W. nutans具有最高的序列同源性。 结论 了哥王叶绿体基因组具有植物叶绿体基因组的典型结构，有密码子使用偏好性，含多态性较为丰富的SSR，且与细轴荛花的亲缘关系最近。图5表2参24 Abstract:Objective This study is aimed to clarify the structure traits of chloroplast genome and phylogenetic status of medicinal plant Wikstroemia indica, providing a scientific basis for the resource protection and sustainable utilization of W. indica. Method An Illumina high-throughput sequencing platform was employed to acquire the chloroplast genome sequence which was then assembled, annotated, compared and analyzed using bioinformatics technologies and software. Result The chloroplast genome of W. indica was an annular quadripartite molecule with a length of 149 864 bp and composed of a large single copy (LSC, 86 347 bp), a small single copy (SSC, 10 601 bp) and a couple of inverted repeat (IR, 26 458 bp) and 124 genes were annotated in the chloroplast genome. In the chloroplast genome there were a total of 24 180 codon, which were divided into 64 types of which 30 types of codon were used frequently and 29 of them ended with A/T. Altogether 93 chloroplast simple sequence repeat (SSR) were identified from the chloroplast genome with Mononucleotide being the predominate type taking up a number of 72 and the motifs formed by A/T contributing the most and obvious variations were observed in IR boundary between W. indica and closely related plants whereas sequence alignment and phylogenetic tree revealed that W. indica shared high sequence identity with W. nutans. Conclusion The chloroplast genome of W. indica exhibited typical structure of plant chloroplast genome, and possessed codon preference and several SSRs with rich polymorphism. Additionally, the chloroplast genome of W. indica showed the closest similarity to W. nutans. [Ch, 5 fig. 2 tab. 24 ref.] -
冬青属Ilex植物多常绿，树冠优美，果实通常红色光亮，长期宿存，是良好的庭园观赏和城市绿化树种，拥有巨大的园林应用潜力。冬青属种子具有种胚后熟的特性[1]，常规播种繁殖生长缓慢，且后代性状易发生分离。嫁接繁殖步骤繁琐，操作技术不易掌握，管理要求严格。相比之下，扦插繁殖操作简单，繁殖系数较高，还能保持植物的优良性状。然而，冬青属植物中的很多种类扦插生根困难、成活率低，严重制约了该属植物的推广和应用[2]。金晓玲等[3]研究了34种杂交冬青的生态适应性和扦插成活率后发现：不同品种的冬青扦插成活率存在较大差异，其中光滑冬青Ilex glabra系列栽培品种扦插成活率较高(90.5%~100.0%)，美洲冬青I. verticillata系列栽培品种较低(47.5%~64.3%)。生产上常常使用植物生长调节剂处理插穗以获得较高的生根率。胡曼筠等[4]研究发现：经500 mg·L−1 钾盐吲哚丁酸(KIBA)处理的华中枸骨I. centrochinensis生根率最高，雌雄株分别为83.33%和87.50%，比对照明显提高了20.83%。冬青‘长叶阿尔塔’I. × altaclerensis ‘Belgica Aurea’为冬青属常绿小乔木，是欧洲冬青I. aquifolium和加那利冬青I. perado的园艺杂交种，均为雌株[5]。该植物茎绿色，具黄色条纹；叶边缘金黄色不规则，中央有灰绿色斑纹；入秋红果累累，经冬不落，是优良的观干、观叶、观果树种。此外，该树种耐修剪，适应性强，亮丽的色彩很适合与其他彩叶植物搭配种植，极具园林应用前景。但‘长叶阿尔塔’扦插生根较为困难，经萘乙酸(NAA)、吲哚乙酸(IAA)、吲哚丁酸(IBA)、GGR6生根粉处理后生根率均不到40%，生根持续时间较长，生根机制尚不清楚[6]。本研究考察了植物生长调节剂种类和质量浓度、处理方法、基质类型对插穗生根的影响，并从形态解剖学角度探讨了插穗不定根的发生及发育过程，旨在揭示‘长叶阿尔塔’插穗的生根机制，为冬青属植物扦插繁殖技术提供理论基础。
1. 材料与方法
1.1 材料
材料取自宁波高新农业技术实验园区苗圃。从10 a以上生长健壮、无病虫害且无机械损伤的‘长叶阿尔塔’嫁接苗母株上采集当年生半木质化枝条为插穗。插穗长度为8~10 cm，上切口平剪，下切口45° 斜剪，保留3~5个芽及顶端2片1/2成熟叶。本研究在南京林业大学园林实验中心温室的扦插床上进行。扦插前基质均经过消毒处理，插床配置间歇自动喷雾装置，保持扦插环境相对空气湿度为90％，插穗上方3 m处覆盖50%遮阳网。扦插时温室内温度为20~25 ℃。
1.2 方法
1.2.1 试验设计
以植物生长调节剂种类和质量浓度、处理方法、基质类型为试验因素，每个因素下设3个水平，采用3因素3水平正交试验设计(表1)，试验共9个处理，每处理30根插穗，重复3次。
表 1 ‘长叶阿尔塔’扦插的L9(34)正交试验设计Table 1 L9(34) orthogonal experimental design for cutting of I. × altaclerensis ‘Belgica Aurea’处理号 植物生长调节剂 处理方法 基质类型[V(草
炭)∶V(蛭
石)∶V(珍珠岩)]种类 质量浓度/
(mg∙L−1)T1 ABT1生根粉 300 浸泡1 h 3∶3∶4 T2 ABT1生根粉 500 浸泡1 h 4∶3∶3 T3 ABT1生根粉 1 000 速蘸10 s 4∶2∶4 T4 NAA 300 浸泡1 h 4∶3∶3 T5 NAA 500 浸泡1 h 4∶2∶4 T6 NAA 1 000 速蘸10 s 3∶3∶4 T7 IBA 300 浸泡1 h 4∶2∶4 T8 IBA 500 浸泡1 h 3∶3∶4 T9 IBA 1 000 速蘸10 s 4∶3∶3 1.2.2 指标观测与数据处理
春季扦插80 d后统计相关生根指标。观测指标包括：插穗存活率(%)、生根率(%)、生根数量(单个处理的单株平均不定根数量，条)、最长不定根长(单个处理的单株平均最长不定根长，cm)、平均不定根长(单个处理的单株平均根长，cm)，并对插条生根部位和特征进行观察记录。计算插穗存活率=存活插穗数/总插穗数×100%；生根率=生根插穗数/总插穗数×100%；根系效果指数=(平均根长×根系数量)/总插穗数[7]。数据采用Excel 2003整理，并用SPSS 24.0软件进行方差分析及多重比较。
1.2.3 外部形态观察
插穗扦插前用1 000 mg·L−1的NAA溶液速蘸插穗10 s，扦插基质为珍珠岩，每处理30根插穗，重复3次。自扦插当天开始取样，以后每隔14 d取样1次，每次随机取3根插穗，共取样6次(0 、14、28、42、56、70 d)。观察扦插生根过程中插穗基部形态变化，愈伤组织和不定根的发生情况，并拍照记录，拍照记录后的插穗用于后期解剖学观察。
1.2.4 解剖学观察
观察‘长叶阿尔塔’插穗茎段的横切面结构及其在扦插过程中的变化；通过扫描电镜、透射电镜观察扦插过程中各类型愈伤组织的表面形态及内部细胞结构的变化。①石蜡切片。参照周乃富等[8]的方法，对插穗基部1 cm左右的茎段进行切片，并用OLYMPUS显微镜观察并拍照，分析插穗内部不定根的发生发育过程。②扫描电镜。参照FOWKE等[9]的方法，对插穗基部愈伤组织的结构进行扫描电镜观察并拍照(Quanta 200)。③透射电镜。参照WU等[10]的方法，对新鲜愈伤组织材料(0.5 cm3)进行透射电镜观察并拍照(JEM 1400)。
2. 结果与分析
2.1 不同处理对插穗生根的影响
由表2可知：不同处理‘长叶阿尔塔’插穗存活率、生根率、最长根长、根系效果指数4个指标差异极显著(P＜0.01)。其中，T9处理插穗存活率达63.98%、生根率达48.83%、最长根长达5.15 cm、根系效果指数达4.90，均极显著高于其他处理(P＜0.01)。从表3可知：植物生长调节剂的种类和质量浓度、处理方法水平3的生根率极显著高于水平1与水平2(P＜0.01)；基质类型水平1与水平2的生根率极显著高于水平3(P＜0.01)。综合表2和表3可知：‘长叶阿尔塔’插穗经1 000 mg·L−1 IBA溶液速蘸10 s，扦插在V(草炭)∶V(蛭石)∶V(珍珠岩)＝3∶3∶4或4∶3∶3的基质中可获得较高的生根率。
表 2 不同处理对‘长叶阿尔塔’插穗生根的影响Table 2 Effects of different treatments on rooting of I.× altaclerensis ‘Belgica Aurea’处理号 插穗存活率/% 生根率/% 最长根长/cm 根系效果指数 T1 22.11±2.25 Bbc 12.74±1.37 Dd 2.69±0.70 Bbc 1.92±0.14 Bbc T2 11.37±1.20 De 8.68±0.71 DEde 1.31±0.70 BCc 1.04±0.19 BCc T3 34.18±3.14 Bc 23.62±2.47 Cc 2.65±0.75 Bbc 2.06±0.16 Bbc T4 5.42±4.72 Def 4.25±3.68 Ee 1.71±1.61 BCbc 1.07±0.96 BCc T5 0.00±0.00 Ef 0.00±0.00 Ee 0.00±0.00 Cc 0.00±0.00 Cc T6 41.61±2.67 Bb 36.09±2.94 Bb 3.09±1.20 ABb 2.55±1.07 Bb T7 16.16±3.12 Ce 8.88±1.70 DEde 2.66±0.46 Bbc 1.81±0.71 Bbc T8 23.67±3.63 Cd 12.74±2.21 Dd 2.91±0.84 ABbc 2.33±0.66 Bbc T9 63.98±6.71 Aa 48.83±7.35 Aa 5.15±1.02 Aa 4.90±0.87 Aa 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)，同列不同大写字母表示差异极显著(P＜0.01) 表 3 正交试验各因素对插穗生根率的多重比较Table 3 Multiple comparison of rooting rate on different fators of orthogonal test水平 植物生长调节剂 处理方法 基质类型 1 15.01±1.51 Bb 8.62±1.51 Bb 20.52±1.51 Aa 2 13.45±1.51 Bb 7.14±1.51 Bb 20.59±1.51 Aa 3 23.48±1.51 Aa 36.18±1.51 Aa 10.83±1.51 Bb 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)，同列不
同大写字母表示差异极显著(P＜0.01)2.2 插穗生根过程的外部形态观察
与扦插前(图1A)相比，扦插14 d时，插穗切口边缘能够观察到少量浅绿色的愈伤组织(图1B)；扦插28 d时，插穗切口处表皮开裂，并与木质化部分分离(图1C)；扦插42 d时，插穗切口上方1 cm左右的部位出现条状开裂，此时愈伤组织较多，沿着表皮与木质化部分的界限呈环状分布(图1D)；扦插56 d时，大部分插穗切口处均形成点状、浅黄色的愈伤组织，少量不定根突破皮层，开始皮外伸长生长(图1E)；扦插70 d时，多数插穗基部均能明显观察到不定根，其生长部位在距插穗下切口上部2 cm内，有些不定根可生长至2 cm左右(图1G)；扦插90 d时(不在取样周期内，仅用于外部形态观察)，有大量不定根形成，其长度超过5 cm(图1H)。同时，扦插过程中也发现有些插穗基部形成发达的愈伤组织，将切口全部包住(图1F)，但并未观察到愈伤组织内长出不定根(图1I)。此外，有些插穗既不长出愈伤组织，也没有形成不定根，也不死亡，出现“假活”现象；也有部分插穗自顶端开始发黑褐化，最终死亡(图1J)。
图 1 ‘长叶阿尔塔’插穗生根过程的外部形态变化Figure 1 Morphologic variations during rooting process of I.×altaclerensis ‘Belgica Aurea’2.3 插穗生根过程的解剖结构观察
2.3.1 插穗扦插前的解剖结构
扦插前‘长叶阿尔塔’嫩枝插穗的横切面由表皮(Ep)、皮层(Co)、维管柱3部分组成(图2A)。维管柱包括韧皮部(Ph)、维管形成层(Vc)、木质部(Xy)、髓(Pi)等部分；在皮层与韧皮部之间存在由一层或多层纤维细胞组成的环状厚壁组织(Ps)，呈连续或不连续的环状排列，被染成红色(图2B)。试验中大量切片观察并未发现插穗茎段横切面内存在潜伏根原基，表明‘长叶阿尔塔’的根原基是在扦插后诱导产生的。
图 2 ‘长叶阿尔塔’插穗生根过程的解剖结构Figure 2 Anatomical structure observation during rooting process of I. × altaclerensis ‘Belgica Aurea’2.3.2 不定根的发生过程
根据解剖观察结果，‘长叶阿尔塔’插穗生根过程可划分为3个时期，即形成层细胞活跃期、不定根原基形成期和不定根形成期。①形成层细胞活跃期：由于植物生长调节剂的诱导，形成层细胞在28 d左右开始旺盛分裂，连续平周分裂产生胞质浓、细胞核大、染色深的薄壁细胞，并有向外扩张的趋势。②不定根原基形成期：根诱导42 d左右，髓射线正对的形成层细胞分裂最旺盛，在髓射线加宽部位和紧靠韧皮部的部位形成一团大小相当、细胞核较大、核仁明显、细胞质较浓的根原基细胞团(图2C)。随后，根原基细胞团不断分裂冲破连续的厚壁组织，并向皮层方向生长，突破皮层的根原基细胞团受到挤压分化形成楔形的根原基(图2D)。③不定根形成期：根原基形成后 (约56 d)，朝向表皮一端的细胞团转化为不定根的顶端分生组织，顶端分生组织细胞不断分裂、生长，逐渐突破皮层细胞和表皮(图2E)；同时，位于不定根根尖后端的细胞从外向内逐渐分化形成根的维管系统，最终与茎的维管系统相连形成幼根(图2F)。
2.4 扦插生根过程中愈伤组织的细胞形态学观察
2.4.1 扫描电镜观察
图3A显示同一插穗上2种不同类型的愈伤组织，①为白色、透明、块状的愈伤组织，②为浅黄色、不透明、点状的愈伤组织。白色块状愈伤组织表面有很多凸出且大小均一的球形细胞，细胞间间隙较小，为胚性愈伤组织细胞(图3B和图3C)，多以细胞团的形式存在(图3D)，表面黏液较多，且带有少量絮状附着物(图3E)。从图3F发现：浅黄色点状愈伤组织表面粗糙，细胞大多死亡破裂(图3G)，细胞表面有附着物(图3H)，在死亡破裂的细胞之间存在间隙，表面存在凹陷(图3I)。
图 3 ‘长叶阿尔塔’愈伤组织的扫描电镜观察Figure 3 Scanning electron microscopic observation on callus of I. × altaclerensis ‘Belgica Aurea’2.4.2 透射电镜观察
同一愈伤组织中既有胚性愈伤组织细胞也有非胚性愈伤组织细胞。胚性愈伤组织细胞质浓厚、细胞器较明显(图4A)；非胚性愈伤组织细胞质稀薄，有明显的中央大液泡，几乎观察不到细胞器(图4B)。胚性愈伤组织细胞核大，核仁明显，在靠近细胞膜的胞质区域里有较多的淀粉粒和线粒体，还可观察到内含淀粉粒的叶绿体。淀粉可以为插穗生根提供充足的营养，线粒体较多说明其呼吸作用较强，代谢旺盛(图4C、4D、4E、4F)。同时，仍有部分胚性愈伤组织细胞出现轻微的质壁分离现象(图4G)，这可能是老化愈伤组织中的衰老细胞。非胚性愈伤组织细胞的细胞质受到液泡挤压，细胞核等仅分布于细胞壁附近，但仍可观察到明显的核仁(图4H)。
图 4 ‘长叶阿尔塔’愈伤组织的透射电镜观察Figure 4 Transmission electron microscope observation on callus of I. × altaclerensis ‘Belgica Aurea’3. 讨论
3.1 植物生长调节剂与生根
选择最优的植物生长调节剂种类和质量浓度、处理时间等因素组合可以有效提高植物扦插生根率和生根数[11]。研究[12]表明：植物生长调节剂可以促进插穗基部细胞的分生与分化，加速插穗内可溶性糖、淀粉及可溶性蛋白的水解和代谢，使下切口成为营养物质的中心吸收区域；使用植物生长调节剂还可以提高插穗内过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)、吲哚乙酸氧化酶(IAAO)的活性，调节内源激素水平，活化形成层，促进根原基的形成[13-16]。IBA在促进难生根树种的生根及改善根系品质方面取得了较好的效果[17-18]。本研究中，IBA促进插穗生根效果显著优于ABT1和NAA，这可能是由于IBA被氧化分解的速度慢、传导扩散性能差，作用于插穗基部的时间长，有利于促进不定根的发生[19]。本试验最佳处理的生根率仅为48.83%，今后可结合其生根过程的激素调控、酶活性变化等方面对‘长叶阿尔塔’的生根机制开展更深入探究。
3.2 ‘长叶阿尔塔’插穗生根类型
根据不定根在插穗上的形成部位不同，木本植物插穗生根类型分为皮部生根型、愈伤组织生根型和混合生根型[20]。本研究发现：‘长叶阿尔塔’插穗生根部位多在插穗切口上方2 cm左右的皮部，切口处无愈伤组织或仅有少量愈伤组织，也有少数插穗基部的愈伤组织发达，但仍然从切口上方的皮部形成多条不定根，与金建邦等[21]对欧洲鹅耳枥Carpinus betulus扦插不定根的发生发育研究结果类似。同时，观察‘长叶阿尔塔’插穗茎段的横切面切片后，并未发现潜伏根原基的存在，推测不定根是从扦插后诱导产生的诱生根原基发育而来，与山木通Clematis finetiana[22]、红花槭Acer rubrum[23]等的根原基来源相同。因此，‘长叶阿尔塔’插穗生根类型属于皮部诱导生根型。
3.3 茎段解剖结构与生根的关系
插穗茎段结构是影响不定根发生、发育的“解剖学原因”[24]。对于难生根树种而言，插穗内部的机械组织(包括厚角组织与厚壁组织2类)是根原基形成和发育的阻碍因子[25-26]。树木扦插生根的难易程度与皮层和韧皮部之间的厚壁组织关系密切。多数难生根树种厚壁组织连续且呈环状，如珙桐Davidia involucrata[27]等。若插穗皮层中没有这种组织，或虽有但并不连续，则插穗生根相对容易，如喜树Camptotheca acuminata[28]等。本研究发现‘长叶阿尔塔’1年生插穗茎段皮层与韧皮部之间，存在1~2层由纤维细胞组成的环状厚壁组织，呈连续或不连续状，可能与插穗的发育程度有关；进一步观察发现仅少数根原基能突破连续的环状厚壁组织。此外，‘长叶阿尔塔’插穗生根需经历较长时间，春季56 d左右才能观察到突破表皮的不定根。由于生根进程缓慢，在此过程中插穗新叶、芽的生长消耗了大量的养分，且较长的时间容易导致插穗因病原菌侵害而褐化死亡，降低生根率。因此，为提高插穗生根率，应选择1年生、木质化程度较弱的枝条进行扦插，以减少厚壁组织对插穗生根率的影响。
3.4 愈伤组织与生根的关系
扦插后，通常会在插穗基部表皮或表皮与木质化部分交接处形成愈伤组织，可由插穗茎段中的皮层、韧皮部、维管形成层、髓等多个部位的细胞快速分裂而来。插穗愈伤组织与不定根发生发育的关系可概括为以下3种：①愈伤组织的形成是不定根生长发育的物质基础。此类愈伤组织中可以分化形成根原基细胞，在一定条件下可发育形成不定根[29]，如洒金柏Platycladus orientalis[30]等多数针叶树种均属于此类。②愈伤组织的产生与不定根形成无直接因果关系、彼此独立[31]。这类愈伤组织通常不能形成根原基，只能分化形成独立的维管束、输导组织等，在插穗与基质之间无机盐、水分等物质交换过程中起着中介作用，如灰毡毛忍冬Lonicera macranthoides[32]等属于此类。③愈伤组织的产生不利于不定根的发生、发育[33]。如高度发达的愈伤组织抑制了白桦Betula platyphylla嫩枝插穗根原基细胞的分化，进而阻碍了不定根的形成[34]。本研究发现：‘长叶阿尔塔’插穗愈伤组织产生与不定根发生、发育彼此独立，适度分化的愈伤组织能够保护切口免受外界病菌侵入，防止插穗内有效物质的流失，还可以充当水分等物质交换的桥梁。但过度分化的愈伤组织会占用插穗内部的营养物质，抑制不定根的形成。
4. 结论
冬青‘长叶阿尔塔’插穗经1 000 mg·L−1 IBA溶液速蘸10 s，扦插在V(草炭)∶V(蛭石)∶V(珍珠岩)=3∶3∶4或4∶3∶3的基质中可获得较高的生根率，其插穗生根类型属于皮部诱导生根型，根原基起源于髓射线与维管形成层交叉处，环状厚壁组织是阻碍其插穗生根的机械原因。‘长叶阿尔塔’插穗愈伤组织中并未观察到根原基发端细胞，其产生与不定根发生、发育彼此独立，可分为胚性愈伤组织和非胚性愈伤组织，胚性愈伤组织多为白色，其表面细胞体积较小且排列紧密，常成团分布，细胞核大质浓，细胞器丰富；非胚性愈伤组织细胞多为黄色，其表面细胞大多死亡破裂，空泡化明显，几乎没有细胞器。
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图 2 了哥王叶绿体基因组密码子的RSCU值
Figure 2 RSCU value of all codon in W. indica chloroplast genome
图 3 瑞香科5种植物叶绿体基因组IR边界的差异分析
Figure 3 IR boundaries divergence of chloroplast genomes from 5 Thymelaeaceae plants
图 4 瑞香科5种植物叶绿体基因组的多重序列比对
Figure 4 Multiple alignment of chloroplast genome sequences from 5 Thymelaeaceae plants
表 1 了哥王叶绿体基因组基因组成和功能注释
Table 1. Gene composition and annotation in W. indica chloroplast genome
基因类别 基因功能 基因名称 蛋白质编码基因 ATP合成酶 atpA, atpB, atpE, atpF1, atpH, atpI 细胞色素b/f复合物 petA, petB1, petD1, petG, petL, petN NADH脱氢酶 ndhB1*, ndhD, ndhE, ndhF, ndhH, ndhK 光合系统Ⅰ psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ 光合系统Ⅱ psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, psbZ 核糖体蛋白质小亚基 rps2, rps3, rps4, rps7*, rps8, rps11, rps12#, rps14, rps15, rps161, rps18, rps19 核糖体蛋白质大亚基 rpl21*, rpl14, rpl161, rpl20, rpl22, rpl23*, rpl32, rpl33, rpl36 RNA 聚合酶 rpoA, rpoB, rpoC11, rpoC2 假定叶绿体阅读框 ycf1*, ycf2*, ycf32, ycf4 其他基因 matK, rbcL, cemA, accD, ccsA, clpP 核糖体RNAs rrn4.5*, rrn5*, rrn16*, rrn23* 转运RNAs trnH-GUG, trnK-UUU1, trnM-CAU, trnI-CAU*, trnV-UAC1, trnF-GAA, trnL-UAA1, trnT-UGU, trnS- GGA, trnfM-CAU, trnG-GCC, trnS-UGA, trnT-GGU, trnE-UUC, trnY-GUA, trnD-GUC, trnC-GCA, trnR-UCU, trnG-UCC1, trnS-GCU, trnQ-UUG, trnW-CCA, trnP-UGG, trnL-CAA*, trnV-GAC*, trnI-GAU1*, trnA-UGC1*, trnR-ACG*, trnN-GUU*, trnL-UAG 说明：上标1表示含有1个内含子，上标2表示含有2个内含子，#表示反式剪接基因，*表示双拷贝基因。 
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表 2 了哥王叶绿体基因组SSR位点的统计
Table 2. Summaries of SSR loci in W. indica chloroplast genome
类型 重复基序 数量 分布区域 所在位置 LSC SSC IR IGS Intron CDS 单核苷酸 A/T 72 56 8 8 48 14 10 二核苷酸 AT/AT 9 9 0 0 5 3 1 AC/GT 1 1 0 0 1 0 0 AG/CT 1 1 0 0 1 0 0 三核苷酸 AAT/ATT 3 1 0 2 1 2 0 AAG/CTT 1 1 0 0 0 1 0 四核苷酸 AAAT/ATTT 3 2 1 0 1 1 1 AATC /ATTG 1 0 1 0 0 0 1 AATT/AATT 1 1 0 0 0 0 1 五核苷酸 AATAG/ATTCT 1 1 0 0 1 0 0 合计 93 73 10 10 58 21 14 说明：LSC为大单拷贝区；SSC为小单拷贝区；IR为反向重复区；IGS基因间隔区；Intron为内含子；CDS为编码区。
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