菱屬（Trapa L.），為菱科（Trapaceae）單屬，一年生浮葉水生草本植物，是我國傳統的藥食兩用水生作物，具有重要的生態學和經濟學價值。我國菱屬資源非常豐富，世界菱屬植物的兩個物種多樣性中心均分布于我國：一是長江中下游地區，二是黑龍江及圖們江流域。據《中國植物志》記載，我國共有菱屬15種9變種。然而，隨著人類活動干擾的不斷加劇，濕地不斷萎縮退化，菱屬生境遭到嚴重破壞，野生菱種質資源嚴重流失。目前，細果野菱已經位列中國珍惜瀕危植物名錄，屬國家二級保護植物。因此，菱屬野生種質資源的收集已經迫在眉睫，而準確的物種及親緣關系鑒定，是有力保護和長期利用植物遺傳資源的前提。
被子植物的葉綠體基因組為母系遺傳的單倍體，其已經成為物種鑒定和系統分類研究的重要工具。而菱屬植物由于其營養體相似，果實的形態特征變異幅度廣泛，目前屬內缺乏一致的、明確的物種劃界標準，這給菱屬的物種鑒定及進化關系探討帶來很大困難。為了填補這一研究空白，本研究選取13個菱屬野生物種進行葉綠體全基因組測序，對15個菱屬物種葉綠體基因組進行比較分析，并利用質體序列構建菱屬系統發育樹。
本研究結果發現，菱屬15個野生物種/類群的葉綠體基因組大小為155,453-155,559 bp，具有典型的葉綠體四分體結構：一個LSC、一個SSC和兩個IR區域。15個菱屬葉綠體基因組結構、GC含量和編碼基因數量都具有高度相似性。同時，他們都注釋到了130個基因，其中包含85個蛋白編碼基因、37個tRNA和8個rRNA。
比較分析發現，菱屬葉綠體基因組中有兩個高變異熱點區域（atpA-atpF和rps2-rpoC2），以及豐富的長重復序列和SSRs位點，主要分布在LSC區和非編碼區，可作為潛在的分子標記，用于后續菱屬物種鑒定。
三種系統發育樹構建方法（MP，ML和BI）一致顯示，菱屬內部有兩個進化分支，小果分支和大果分支。小果分支僅包括細果野菱和四角刻葉菱，位于系統進化樹的基部；其余物種屬于大果分支，且大果分支內部，菱屬物種依據其果實外部形態特征和地理來源進行聚類。
本研究首次報道了15個菱屬野生物種葉綠體基因組的比較分析，并基于葉綠體序列構建了菱屬內系統進化關系，為菱屬植物物種鑒定和系統進化發育研究提供了基礎資料，為菱屬遺傳資源的管理和利用提供了科學依據。
本研究結果已發表在國際期刊BMC plant biology上，中國科學院武漢植物園與西藏大學聯培生博士生樊香絨為論文第一作者，水生植物生物學實驗室副研究員陳媛媛為通訊作者。本研究由國家自然科學基金（31100247）和中國科學院武漢植物園科研骨干計劃（Y855291）資助。
圖1 菱屬植物大果物種與小果物種的葉綠體基因組環形基因圖譜
圖2 15個菱屬植物葉綠體基因組的核苷酸變異值（Pi）。（a）非編碼區；（b）編碼區
圖3 基于22個葉綠體全基因組序列利用最大似然法（ML）、最大簡約法（MP）和貝葉斯（BI）法構建的系統進化樹
