棕榈科是棕榈目物种丰富的分支，也是被子植物中形态多样的科。棕榈科广泛分布于全球热带和亚热带地区，众多物种存在重要经济、药用及观赏价值。近年来，虽然已有对棕榈科叶绿体结构的研究及使用基因片段推断系统发育关系的报道，仍需要对棕榈科叶绿体结构进行全面分析。在这项研究中，我们获取了74个棕榈科植物叶绿体基因组，涵盖5个亚科。对棕榈科叶绿体基因组的结构特征进行了全面分析，比较基因序列间的差异性，推断系统发育关系，重建物种分歧时间以及重建物种祖先性状特征。

结果显示，所有的棕榈科叶绿体基因组均呈现典型的四分体结构，其大小范围在153,806-160,122 bp之间，共有130-137个基因，其中有76-82个蛋白质编码基因，29-32个tRNA 基因和4 个rRNA基因。此外，叶绿体基因组总GC含量为36.9~37.7%。通过对SC/IR区边界的差异分析结果显示，IR区在边界上出现了扩张与收缩现象。系统发育关系结果表明，棕榈科五个亚科均为单系，蜡椰亚科与槟榔亚科为姐妹类群（BS/PP = 100/1）。分歧时间分析显示棕榈科的多样化发生于晚白垩世时期96.60 [84.90–107.60] Ma，干群分化年龄为102.40 [93.44–111.17] Ma。祖先性状的重建分析推断，棕榈科的祖先性状特征为雌雄同株植物，种子数量为1枚，雄蕊数量为6枚及光滑的果皮性状。

基于全叶绿体基因组和多个数据集通过ML/BI分析的系统发育关系，棕榈科的5个亚科均支持为单系，亚科间的关系得到强大支持，且部分族/属之间的关系也得到了很好支持。此外，棕榈科分歧时间估计表明，棕榈科的冠群年龄为白垩世晚期96.60 Ma，茎年龄为102.40 Ma。祖先性状重建分析推断，雌雄同株，1枚种子，6枚雄蕊，以及果皮光滑等性状特征是棕榈科植物的祖先性状。

本研究所新测序的叶绿体基因组资源将在今后为棕榈科的物种鉴定与进化、遗传多样性和系统发育方面的分析研究提供帮助。但在本研究的系统发育分析中仍存在一些局限性，因此在未来的研究中需要扩大对样本的采集，增加整个叶绿体基因组的数据可用性，并使用核基因数据支持大规模的推断关系。为此，我们可以更全面地比较分析和讨论棕榈科植物的系统发育与进化。

图1 棕榈科各亚科中部落的典型形态特征

贝叶棕亚科: (A) 白蜡棕；(B, L, T) 江边刺葵；(C, U) 矮菜棕；(D) 糖棕；(E, M, V) 短穗鱼尾葵；(F, N, W) 琼棕；(K) 棕榈；(S) 穗花帽棕；(X) 霸王棕；槟榔亚科: (G) 三药槟榔；(H, Q, Z) 油棕；(I) 酒瓶椰子；(O) 狐尾椰；(P, Y) 袖珍椰子；(a) 青棕；省藤亚科: (J, R) 蛇皮果；(b) 杖藤

图2 棕榈科叶绿体基因组图谱

(a) 圆形形式。外圈内的基因顺时针转录，圈外的基因逆时针转录。内圈的灰色变异区域表示叶绿体基因组的GC含量。不同的颜色表示不同的功能基因。

(b) 线形形式。不同颜色表示不同功能基因，绿色表示基因，黄色表示蛋白质编码基因，红色表示rRNA基因，紫色表示tRNA基因。

图3 槟榔科叶绿体基因组序列差异比较的可视化

基因组蛋白质编码区和非编码区对应于蓝色和红色。X轴使用Acrocomia aculeata 作为参考序列，表示序列坐标，Y轴表示序列同一性的百分比（50%-100%）。

图4 棕榈科30个代表性叶绿体基因组的SC/IR边界比较

图5 基于整个叶绿体基因组数据集构建的ML和BI树

“*”表示支持值为100%/1.0，节点附近的数字表示分析得到的60% 和 0.6 以上的支持率，“-”表示两个支持值均小于60% 或 0.6。

不同的颜色代表不同的亚科分支。在物种右边的“+”表示物种在 IR/SC 边界处扩张，“-”表示物种在 IR/SC 边界处收缩。

图6 基于全叶绿体基因组数据集从BEAST分析的物种分歧时间

A、B、C 分别为校准点，星星为二次标定点。数字1-12代表估计的主要分化事件的平均发散时间和95%的最高置信区间。

图7 基于叶绿体数据集的棕榈科性状进行形态进化的最大似然法分析

左边为果皮类型，右边为植株类型。

图8 基于叶绿体数据集的棕榈科性状进行形态进化的最大似然法分析

左边为雄蕊数目，右边为种子数量。

原文：Da-Juan Chen, Jacob B. Landis, Hong-Xin Wang, Qing-Hui Sun, Qiao Wang and Hua-Feng Wang. Plastome structure, phylogenomic analyses and molecular dating of Arecaceae. Front. Plant Sci.doi: 10.3389/fpls.2022.960588.

PLANT SCIENCES - JCR, SCIE(Q1), 2022年影响因子6.627.

海南大学2020级硕士生陈大娟为本文第一作者，王华锋为通讯作者，本研究得到海南省重点研发等项目的支持。

原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.960588/full?utm_source=F-NTF&utm_medium=EMLX&utm_campaign=PRD_FEOPS_20170000_ARTICLE