菱属（Trapa L.），为菱科（Trapaceae）单属，一年生浮叶水生草本植物，是我国传统的药食两用水生作物，具有重要的生态学和经济学价值。我国菱属资源非常丰富，世界菱属植物的两个物种多样性中心均分布于我国：一是长江中下游地区，二是黑龙江及图们江流域。据《中国植物志》记载，我国共有菱属15种9变种。然而，随着人类活动干扰的不断加剧，湿地不断萎缩退化，菱属生境遭到严重破坏，野生菱种质资源严重流失。目前，细果野菱已经位列中国珍惜濒危植物名录，属国家二级保护植物。因此，菱属野生种质资源的收集已经迫在眉睫，而准确的物种及亲缘关系鉴定，是有力保护和长期利用植物遗传资源的前提。
被子植物的叶绿体基因组为母系遗传的单倍体，其已经成为物种鉴定和系统分类研究的重要工具。而菱属植物由于其营养体相似，果实的形态特征变异幅度广泛，目前属内缺乏一致的、明确的物种划界标准，这给菱属的物种鉴定及进化关系探讨带来很大困难。为了填补这一研究空白，本研究选取13个菱属野生物种进行叶绿体全基因组测序，对15个菱属物种叶绿体基因组进行比较分析，并利用质体序列构建菱属系统发育树。
本研究结果发现，菱属15个野生物种/类群的叶绿体基因组大小为155,453-155,559 bp，具有典型的叶绿体四分体结构：一个LSC、一个SSC和两个IR区域。15个菱属叶绿体基因组结构、GC含量和编码基因数量都具有高度相似性。同时，他们都注释到了130个基因，其中包含85个蛋白编码基因、37个tRNA和8个rRNA。
比较分析发现，菱属叶绿体基因组中有两个高变异热点区域（atpA-atpF和rps2-rpoC2），以及丰富的长重复序列和SSRs位点，主要分布在LSC区和非编码区，可作为潜在的分子标记，用于后续菱属物种鉴定。
三种系统发育树构建方法（MP，ML和BI）一致显示，菱属内部有两个进化分支，小果分支和大果分支。小果分支仅包括细果野菱和四角刻叶菱，位于系统进化树的基部；其余物种属于大果分支，且大果分支内部，菱属物种依据其果实外部形态特征和地理来源进行聚类。
本研究首次报道了15个菱属野生物种叶绿体基因组的比较分析，并基于叶绿体序列构建了菱属内系统进化关系，为菱属植物物种鉴定和系统进化发育研究提供了基础资料，为菱属遗传资源的管理和利用提供了科学依据。
本研究结果已发表在国际期刊BMC plant biology上，中国科学院武汉植物园与西藏大学联培生博士生樊香绒为论文第一作者，水生植物生物学实验室副研究员陈媛媛为通讯作者。本研究由国家自然科学基金（31100247）和中国科学院武汉植物园科研骨干计划（Y855291）资助。
图1 菱属植物大果物种与小果物种的叶绿体基因组环形基因图谱
图2 15个菱属植物叶绿体基因组的核苷酸变异值（Pi）。（a）非编码区；（b）编码区
图3 基于22个叶绿体全基因组序列利用最大似然法（ML）、最大简约法（MP）和贝叶斯（BI）法构建的系统进化树
