中国贝母属药用植物的DNA条形码研究及其分类整理

DNA barcoding is a method to identify species quickly and accurately using standard and short DNA sequences. The technique, as an efficient method of species discrimination, has become one of research hotspots in biodiversity, and it is widely used in many soci-economic aspects. Fritillaria L. is an important genus in Liliaceae. It includes rich medicinal plants. Taxonomic treatment of Fritillaria species is controversial due to complex phylogeny and diverse morphology, so it is difficult to identify the species based on morphology. Which species should be listed as medicinal plants in Fritillaria? How to define these species? And how to identify them quickly and accurately? In this study, DNA barcoding will be used to identify medicinal plants in Fritillaria. The main contents include three aspects as followings: firstly, taxonomy and species delimitation based on morphology; secondly, evaluation on efficiency of standard and specific barcodes in species discrimination; finally, establishing DNA barcoding system using selected barcodes. Through this research, we would reorganize species of medicinal plants in Fritillaria and establish quick and accurate system of species discrimination. The study will promote utilization and conservation of plants resources in Fritillaria.

DNA条形码是利用标准的、短的DNA序列对物种进行快速、准确鉴定的方法。该技术作为生物物种鉴定的有效手段，是生物多样性领域的研究热点之一，并在社会、经济领域得到广泛应用。贝母属是百合科中重要的属，包含了丰富的药用植物资源。由于该属植物的种类复杂、形态多样，因而其形态分类争议较大，物种鉴定比较困难。那么，中国贝母属的药用植物究竟包括哪些种？这些种应当如何界定？怎么对它们进行快速、准确的物种鉴定？本研究拟对DNA条形码技术在贝母属药用植物物种鉴定中的有效性进行研究，包括三个方面的内容：一是根据形态性状，对该属药用植物进行分类整理和物种界定；二是对标准条形码和特定条形码在物种鉴定中的有效性进行评价；三是筛选有效的DNA片段及其组合，建立DNA条形码鉴定系统。通过本项研究，整理出贝母属药用植物所含的物种，建立快速、准确的物种鉴定系统，这将有效促进该属植物资源的开发利用和保护。

贝母属是百合科中一个著名的属，包含众多药用植物，具有重要的经济价值。该属中部分类群（特别是川贝母及其近缘种）的形态变异复杂、鉴定相对困难。本研究采用Illumina测序平台，对中国贝母属的21种（含存疑种）的73个代表性个体样品进行二代测序，通过拼接、注释，得到73条完整的叶绿体全基因组数据。结合NCBI数据库已发表的中国贝母属物种叶绿体基因组数据，系统地揭示了中国贝母属植物的叶绿体基因组序列特征，比较了DNA超级条形码、标准条形码及特定条形码在贝母属中的物种鉴定能力，探讨了中国贝母属物种的系统发育关系，并构建了中国贝母属DNA超级条形码鉴定系统。研究结果表明：（1）贝母属的叶绿体基因组长度在151058bp-152888bp之间，编码114-115个基因，序列特征比较保守；（2）经过数据分析，从叶绿体基因组中筛选出10个高变片段（atpH-atpI、matK-trnG-GCC、ndhF-ndhD、psbA-matK、psbE-rpl20、rpl14-rps3、rpoB-psbD、rps4-trnL-UAA、ycf1和ndhA-intron）；（3）基于叶绿体全基因组序列的DNA超级条形码，在贝母属中具有强大的物种鉴定能力（95.23%），高变片段ycf1等也具有较高的鉴定成功率（90.47%），标准条形码matK+rbcL组合也有一定的鉴定能力（76.19%）；（4）中国的贝母属植物，主要分为4个分支（分支I、II、III及IV）。其中，分支I主要为川贝母及其近缘种，该分支中川贝母不是单系类群，可能在分类学上不是一个“好种”；峨眉贝母（存疑种）与粗茎贝母关系较远，不应将其归并。分支II中的湖北贝母（存疑种）与天目贝母关系较远，亦不应归并并。本研究在中国贝母属植物的系统进化、分类处理及DNA条形码鉴定等方面都得到了一些重要启示与结论，这对于贝母属药用植物资源的合理利用与有效保护具有重要意义。但是，由于时间和精力的限制，相关工作还不够深入和全面（缺乏详细的标本形态分析及来源于核基因组的数据支持等），有待于进一步开展研究工作。