仙人掌属(Opuntia)原产于美洲，约含150种肉质植物，凭借耐旱、速生、高产等生物学特性，被联合国粮农组织列为应对干旱区粮食安全与气候变化的战略作物。其茎、果、花、种子富含可溶性固形物、果胶、多糖、多酚、黄酮等活性成分，具备功能食品、保健及医药开发价值。同时，仙人掌属植物的高水分利用效率与快速干物质积累能力，使其在生物燃料、土壤修复及荒漠化治理中具有广阔的应用前景。然而，仙人掌属物种存在显著的形态趋同、杂交频繁及多倍化现象，传统分类手段难以实现准确鉴定，制约了其种质资源的高效保护与可持续利用。此外，研究表明仙人掌科的质体基因组存在显著的结构变异，反向重复区(inverted repeat, IR)序列存在显著缩短甚至消失的情况，但尚未有报道对该类群的IR区演化历史进行系统研究。

　　针对上述问题，辰山植物园联合上海师范大学、浙江理工大学、江阴海关综合技术服务中心，围绕仙人掌属植物质体基因组开展了系统研究。研究团队系统解析了40种仙人掌属和32种其他仙人掌科物种质体基因组的结构与序列特征(图1)，发现仙人掌属IR区长度从338 bp到30,530 bp不等，跨度近百倍，该变异水平在被子植物属内较为罕见。

　　研究团队基于40种仙人掌属物种质体基因组，识别出4类典型IR结构：(a)IRL型(极度收缩型)：IR区几乎缺失，仅保留1–2个基因;(b)IRC型(中度收缩型)：IR长度<16 kb，携带2–6个基因;(c)IRN型(正常型)：IR维持在16–23 kb之间，为典型结构;(d)IRE型(扩张型)：IR扩展至30 kb以上，最多可重复21–25个基因(图1)。

　　图1仙人掌属质体基因组不同类型IR区变异与基因结构示意图

　　研究首次结合地质时间尺度下系统发育与性状演化模拟，揭示仙人掌属祖先IR区在约8.5百万年前起源时已发生轻度收缩，之后南美支系再次扩张至典型质体水平(~22 kb)，而北美支系展现出复杂多样的“收缩—扩张—重排”轨迹，特别是晚中新世至第四纪期间的环境剧烈波动与北美干旱化过程高度吻合(图2)，推测IR区结构变异引发的基因拷贝数和基因组结构重排可能与仙人掌属植物对干旱、高温、强紫外等极端环境胁迫的适应性相关。

　　图2 仙人掌科IR区演化历史重建

　　同时，研究团队基于质体基因组核苷酸多态性(图3)与简单重复序列分析(图4)，开发出多个高分辨率质体分子标记，在物种水平具有良好的分辨率，可为后续资源普查、物种精准鉴定、保育评估及育种选材提供重要工具。基于分子标记的系统发育框架重建验证了质体数据在解决仙人掌属内形态趋同与分类混淆问题中的优势(图5)。

　　图3 仙人掌属质体基因组基因区与基因间隔区核苷酸多态性分析

　　图4 仙人掌属质体基因组重复序列多态性分析

　　图5 基于6个高分辨率叶绿体marker的仙人掌属内系统发育树

　　该研究不仅拓展了仙人掌属质体基因组演化研究的深度，也为其种质资源创新利用与可持续发展提供了重要数据基础。未来，这些分子标记与基因组资源有望应用于仙人掌属的保种育种、产业开发及生态恢复等实践中。

　　该成果以“Comprehensive plastome analysis in prickly pear cactus (Opuntia, Cactaceae), a key genus for sustainable fuel and food: Uncovering evolutionary dynamics and germplasm”为题，已于2025年7月14日在国际期刊Industrial Crops and Products在线发表。上海辰山植物园为本研究的第一完成单位，浙江理工大学为共同通讯单位，陈程(上海辰山植物园-上海师范大学联合培养硕士)和韩继者(上海辰山植物园-浙江理工大学联合培养硕士)为共同第一作者，课题组长闫小玲研究员和浙江理工大学祁哲晨副教授为共同通讯作者，课题组严靖助理研究员、李惠茹副研究员，研究生白鑫宇、冯雨晴、刘睛、许昕妍、向轶男、刘永辉，园艺部林琛、江阴海关综合技术服务中心韩阳春博士、上海师范大学于晶教授参与了该项研究。

　　上述相关成果得到了上海市绿化和市容管理局科学技术项目(G252409、G242412)、浙江省自然科学基金(LY21C030008)和国家重要野生植物种质资源库辰山中心项目(ZWGX2022)的资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.121477