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文献解读

【客户文章】一篇Aquatic Botany带你掌握水生植物叶绿体研究思路

发布日期:2021-07-19 浏览次数:40






       文章类型:叶绿体基因组

       期      刊:Aquatic Botany

      JCR  分区 :Q2    IF:1.710

       测序平台:Illumina


摘要

       尽管睡莲的栽培和研究历史悠久,但睡莲种间的分类关系和进化关系仍存在争议。叶绿体基因组(cp genome)为睡莲属的物种起源、进化和系统发育关系的研究提供了一种新的方法。本研究利用高通量测序技术对7种睡莲的全基因组进行了测序,分析了其结构特征和系统发育关系。7种睡莲的cp genome在大单拷贝(LSC)和小单拷贝(SSC)区域存在丰富的变异。7种睡莲的cp基因序列比较分析表明,睡莲的cp基因序列基本一致,未出现反向重排现象。以 N.colorata(蓝星睡莲)为参考序列,共获得8328个SNPs和1579个InDels。7种睡莲cp genome中rpoA-rpl20rbcL-ndhCndhD-ndhFtrnN-GUU-ndhA区域的变异程度较高,ycf2基因受到正向选择。系统发育分析表明睡莲属可进一步分为5个亚属。


背景介绍

       睡莲属是一种重要的水生植物属,具有广泛的观赏用途。该属属于睡莲科,是被子植物进化的起源。睡莲约有50种,分布在除南极洲以外的各大洲。睡莲根据花、种子、叶、茎的形态及地理分布分为5个亚属,分别为subgenus Nymphaea(广温带睡莲亚属), subgenus Hydrocallis(新热带睡莲亚属), subgenus Lotus(古热带睡莲亚属), subgenus Anecphya(澳大利亚睡莲亚属)和 subgenus Brachyceras(广热带睡莲亚属)。而睡莲属的系统发育分类仍存在争议。例如,基于非编码cp markers,一些研究将睡莲属分为三个亚属:Nymphaea、Anecphya-Brachyceras、Hydrocallis-Lotus。此外,睡莲属内物种间的关系尚不清楚。例如,利用叶绿体(cp) trnT-trnF序列构建睡莲科系统发育树,之前的研究支持睡莲亚属(Subgenus Nymphaea)中有三个亚分支。然而,利用nrDNA内部转录间隔区(ITS)构建系统发育树,研究支持睡莲亚属(Subgenus Nymphaea)分为两个亚分支。目前,大家对睡莲种间的进化关系存在着不同的认识;因此,研究其系统发育关系具有重要意义。

       cp genome已经成为进化和比较基因组研究的理想模型,其结构和序列信息在揭示不同物种的起源、进化和关系方面具有重要价值。因此,对睡莲cp genome的研究可以为解决不同物种之间的系统发育分类、进化和关系等问题提供一个新的突破点。


材料方法

       7种睡莲属植物:N.odorata香睡莲(睡莲属)、N.rubra印度红睡莲、N.gigantea巨睡莲(Brachyceras)、N.potamophila夜雪睡莲、N.tetragona睡莲(子午莲)、N.colorata蓝星睡莲(热带睡莲)和N.micrantha小花睡莲(热带睡莲)做基因组结构注释等的比较分析。


结论


       7种睡莲属植物叶绿体基因组的基本结构特征

       7种材料的基因组大小各不相同,其中最大的是N.gigantea,最小的是N.potamophila。一般来说,cp genome大小的差异主要是由于IR的收缩和扩张和基因的丢失或增加。7种睡莲的cp genome在进化过程中也出现了IR区域的缩小和扩大以及基因的缺失。

       IR区域GC含量较高,DNA序列更加稳定,不易突变,因此较为保守,而进化过程中也会出现收缩或扩张。通过对IR区域的边界分析表明基因组四个区域边界的基因分布规律相同,但在微观结构上存在差异,trnH-GUGndhF基因以及ycf1rps19基因在边界区变异较大,也许说明其在睡莲叶绿体基因组的进化中起重要作用。

       密码子偏好性分析

       在这项研究中,7种睡莲共使用了67个密码子,其中32个存在明显的偏好性(RSCU>1)。叶绿体基因组中最常用的密码子具有高AU含量,偏好密码子倾向于以A/U结尾。本研究中,32个偏好密码子中只有UUG和AUG密码子为G端,其他偏好密码子为A/U端。Leucine是编码最多的氨基酸,其同义密码子偏好为UUA>UUG>CUU>CUA>CUG>CUC,这与之前在其他家族中的研究不一致。密码子的使用与基因表达水平、碱基组成、DNA链的不对称突变和选择有关,但密码子的使用机制有待进一步研究。

       重复序列分析

       7种睡莲的散在重复序列的总数量差异不大,序列长度集中在15-19 bp之间,cp genome中共鉴定出979个SSR位点。SSR位点以三核苷酸SSR(48.2%)和单核苷酸SSR(44.7%)为主,大部分位于LSC区。此外,在基因编码区,ycf1中SSRs数量最多。本研究报道的cp genome重复序列可以作为睡莲的潜在分子标记。

       共线性、KaKs、Pi、SNP和InDel

       植物叶绿体基因组相对保守,但在进化过程中会发生重组。本研究中7种睡莲的叶绿体基因组未出现反向重排,共线性良好。以N.colorata cp genome为参考序列计算其Ka/Ks,大部分数值较低,表明cp genome在进化过程中具有保守性。而ycf2基因受到正向选择,在裸子植物和被子植物中均能检测到,表明ycf2的进化在植物中广泛存在。

       LSC和SSC区域的Pi值明显高于IR区域,这与IR区域的保守性有关。睡莲cp genome中rpl32-ndhFrps19-psbNatpB-ndhJ三个基因间隔区具有高度的变异,其中rpl32-ndhFrps19-psbNatpB-ndhJ三个基因间隔区的Pi值显著高于IR区域,表明它们可以作为潜在的分子标记。

       在同一属的cp genome中大的InDels并不常见。同样,睡莲的cp genome中1579个InDels大部分存在于非编码区,最大的InDel只有28bp。相对于数目较少的InDels,我们在睡莲cp genome中发现了较多的8328个SNPs。在rpoA-rpl20rbcL-ndhCndhD-ndhFtrnN-GUU-ndhA基因间的SNPs和InDel区域进化速度快,变异程度最大。这些数据表明这些区域可能适合开发睡莲DNA条形码。


       系统发育分析

       本研究以睡莲科7个属中21种植物的叶绿体基因组构建系统发生树,显示睡莲可分为5个亚属。其中,AnecphyaHydrocallisLotus形成了独立的分支,而NymphaeaBrachyceras则有进一步的分支,这可能是生长环境不同导致的。NymphaeaBrachycerasBrachycerasAnecphyaHydrocallisLotus之间的亲缘关系相对较近,同时他们的杂交亲和性也证实了它们的亲缘关系,且这些研究结果与之前的研究一致。

       该系统发育树中,Euryale(芡属)、Victoria(王莲属)和Nymphaea(睡莲亚属)形成了一个支系,与利用核基因序列构建的系统发育树不同(芡属、王莲属未被归类为睡莲亚属),这种分类的不一致可能是由于叶绿体捕获引起的。且在本研究的进化树中,Cabomba(水盾草属)和Brasenia(莼菜属)并非姊妹关系,而利用rbcLmatK和18S rRNA序列构建的睡莲科系统发育树将CabombaBrasenia从睡莲科中分离,归类为cabombacae(莼菜科),表明之前的分类不合适。


亮点

       睡莲作为常见的水生观赏植物,对其叶绿体基因组的研究为水生植物提供了新的研究方向。本研究通过对7种睡莲全基因组测序分析,组装注释得到其叶绿体基因组结构及特征。并对不同属睡莲做了比较基因组学分析,其分析结果为解决不同种属之间物种的系统发育分类、进化关系等问题提供了一个新的视角。




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