中国阴地蕨属药用草本植物系统学及分子进化研究

Despite the long history of medicinal use, the herb species from genus Botrychium distributed in China are underestimated and seem mysterious since the vague classification. Although multiply studies have already indicated that the Ternatin (i.e. 4H-1-Benzopyran-4-one), one chemical composition extracted from Botrychium ternatum, has the potential of anti-cancer agent besides other clinical efficacies, members in this genus draw pretty less attention. It is plenty of the systematic and molecular evolutionary investigations among the genus Botrychium that still remain undone. 1) The present study employs molecular genetic methods to settle and date the uncertain phylogenetic relationship among members disturbed in China from the genus Botrychium; 2) sampling the representative species according to the established phylogenetic tree in the current study, the essential genes of the photosynthesis system will be cloned and the full length coding sequences will be determined; 3) moreover, the gene evolution patterns and the species biodiversity will also be analyzed along with several bioinformatics toolkits. Based on all above results, we will demonstrate the current situation of the wild biodiversity of medicinal herbs from the genus Botrychium and unveil their evolution potentiality under the canopy of gymnosperm and angiosperm, and suggest the conservation and exploitation prospects of these cryptic invaluable national medicinal herbs.

当前针对我国传统民族药用草本植物——阴地蕨属植物的研究仍显单薄。虽有报道称阴地蕨具有多种药用效果，部分物种还呈现濒危现状，却仍未引起重视。缺乏对该类植物的系统性资源评价是造成该现象的根本原因。本研究以中国分布的17种阴地蕨属植物为研究对象，开展系统学和分子进化研究：1）依托分子遗传学，重建分子钟模型下的系统发育关系，明晰属下各物种及其与外类群间的亲缘关系、估测其分化式样，为阐明该科属的分类学地位提供直接证据，进而探讨厚囊蕨类植物在裸子和被子植物冠盖下的进化潜力问题；2）依据重建的系统发育关系对该属代表成员光合作用重要基因的全长进行克隆；3）依托生物信息学方法研究它们在物种演进过程中出现的拷贝数变化、受到的选择压力、蛋白质内及蛋白质间的协同进化动态等进化事件。最终结合所得证据对各种阴地蕨属植物的分化历史、生存现状和进化潜力作出分析，为保护和利用这类“神秘”民族药用植物的前景提出建议。

本项目紧密围绕我国阴地蕨属药用草本植物及其近缘和对照物种开展采样。然而该过程困难重重，阻力不仅来自本属物种稀缺性、还来自环境遭破坏等方面。现已对5种来自该属的植物开展了试验工作：阴地蕨、华东阴地蕨、蕨萁、粗壮阴地蕨和劲直阴地蕨。一方面根据经典分类对样本完成了分类和鉴定，另一方面借助扫描电镜开展了此类厚囊蕨孢子囊与孢子表面细部特征的研究。克隆并测序重要光合作用基因6类，共9条编码区全序列片段，其中7条完整编码序列已提交NCBI公开数据库GenBank子库，获得登录号，将与SCI文章一道公开。截至2018年12月，利用第二代测序技术获得了阴地蕨、华东阴地蕨、蕨萁和对照物种苍术的叶绿体基因组全序列物理图谱。正采用第一代测序技术对其中未测通区域开展补测序。从分子进化角度来说：其一、阴地蕨属植物来自一个单系类群，该属的分类地位清晰；阴地蕨、粗壮阴地蕨与劲直阴地蕨以较高后验概率聚为一支，区别于来自瓶尔小草科其他植物，如锡兰七指蕨和Mankyua chejuense等。此外，借助“放松分子钟”模型，已对裸子植物psbA基因、蕨类植物psaA基因，蕨类植物chlL、chlB、chlN基因与psbA基因、rbcL基因和matK基因等数据集重构建阴地蕨属植物的系统发育关系。发现，利用多基因位点构建联合数据集能够更加准确地描述蕨类植物的亲缘关系，获得更高后验概率，联合不同光合作用系统（光合系统I、II，Rubisco酶，DORP亚基等）的编码基因构建数据集能更准确刻画物种分歧的地质历史时期。其二、在psbA、psaA和chlN等多个光合作用关键编码基因中发现了“正选择位点”；其三、发现了上述重要基因内部和跨基因之间的共进化网络。下列后续研究计划需要深入的持续开展方面：第一，阴地蕨属植物栽培、种植和繁殖技术；第二，阴地蕨属植物孢子囊及孢子表面特征规律，即利用该特征对近缘物种作区分的原则；第三、该属植物叶绿体基因组进化历程，重要光合作用基因的组学进化轨迹。希望能对此长期研究方向进行更多有力支持。本次结题后仍会有高水平科研论文产出。