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摘一片叶子,测一个叶绿体基因组来研究物种分类与系统发育、属及其近缘类群的系统学研究、群体遗传学与谱系地理学等问题

发布日期:2021-09-24 浏览次数:82

叶绿体基因组介绍

叶绿体细胞内具有自主遗传信息,属于母系遗传。与核基因相比,叶绿体基因比核基因小,便于克隆与遗传操作;具有多拷贝,可高效表达目的基因;外源基因可以定点整合,无位置效应和基因沉默现象;母系遗传使得后代安全性好,可避免基因外漏产生基因污染。叶绿体基因组具有适中的核苷酸置换率,编码区和非编码区进化速率不同使其适用于不同分类阶元的进化研究。

叶绿体基因组用途

利用叶绿体基因组可以解决“遗传多样性及道地性形成的分子机制”、“属间比较生物地理学研究”、“群体遗传学与谱系地理学研究”、“物种分类与系统发育研究”、“物种谱系分化与系统地理格局的形成机制”等问题。下面给大家分享一篇利用叶绿体全基因组研究“物种属内谱系分化与系统地理格局的形成机制”文章。

东非千里木属质体系统基因组学和山间扩散研究


期刊:Molecular Phylogenetics and Evolution        IF4.89(Q2)

摘要:千里属(Dendrosenecio,菊科)是东非热带山区特有植物,是世界上最显著的高山植物群之一。该群体已受到研究人员大量关注,但其属下关系仍有争议,物种形成史仍知之甚少。本研究利用46个叶绿体基因组序列构建千里木属ML和BI系统发育树。群体分歧时间基于化石校准来估计。此外,利用生态位模型预测其适宜栖息地推断祖先区域。系统发育分析产生了两个分支,一是坦桑尼亚取样分类群,二是其他地区物种,推测千里木可能起源于2.3Ma y坦桑尼亚北部,在过去100万年内迅速扩散到肯尼亚和乌干达山脉,提出了潜在传播途径,上新世-更新世气候振荡和造山运动促使了该属的早期分化。

一.材料和方法

植物材料

从东非(肯尼亚、坦桑尼亚和乌干达)七个高地(图2)采样获得了40个植物材料,包括16个分类群中的15个,这些高地几乎代表了千里木属整个地理分布区。叶片保存在硅胶中,每个物种的凭证标本保存在中国科学院武汉植物园植物标本室(HIB)和肯尼亚国家博物馆东非植物标本室。从之前研究中获得了六个额外材料,代表该属整个分类多样性。

DNA提取、测序、叶绿体基因组组装和注释

硅胶干叶中提取总基因组DNA,凝胶电泳检测,Illumina HiSeq 2500平台进行PE150bp测序,每个样本产生大约5 Gb数据。

系统发育分析

用叶绿体全基因组构建(不包括反向重复序列的一个拷贝)。内群46个千里木(40个测序的,6个报道的),外群每个属一个,共有10种。56个分类群构建最大似然法(ML)和贝叶斯推断法(BI)系统发育树。

分歧时间

使用BEAST v2.5估计发散时间,选择GTR模型,允许六种核苷酸替代类别。

亲缘地理学重建

使用BEAST2生成的树文件完成的。使用系统发育学重建祖先状态(RASP)v4重建祖先状态,选用BioGeoBEARS 模型。

物种分布模拟

从WorldClim下载生物气候数据,。基于CCSM4模型利用MPI-ESM-P模型得出末次冰间冰期和末次冰期最大值;MaxEnt v.3.4.1进行分析,采用五个重复和一个随机种子引导运行类型,使用DIVA-GIS v7.5对中值网格做进一步处理来生成分布图。

二.结果与结论

该属分为两个分支,坦桑尼亚分类群与其他分类群,其中坦桑尼亚分类群为一个独特的遗传群体,表明分支成员可能在相当长一段时间内处于孤立状态且分类群内的D.meruensis与其余三个分类群分开。非单系分类群中I亚支的D.battiscombei,其中阿伯德尔山的个体与D.brassiciformis聚在一起,肯尼亚山的个体与D.keniensis聚在一起。II亚支中,D.erici rosenii被分为两个单系群,D.erici rosenii ssp首先在亚分支中分化,而D.erici rosenii与鲁文佐里山的物种分为一组。

千里木属在早更新世,约为2.3mya,比报道的早0.7 mya,1.3mya 没有发生多样化;约1.98mya最早祖先可能居住在坦桑尼亚山区。祖先区重建推断乞力马扎罗山和肯尼亚山为该属最可能的祖先区和两次扩散事件区域,在过去50万年中辐射发生在西部山脉,与穆哈武拉山一起被推断为该物种的祖先区域,分为I亚类和II亚类。肯尼亚山的穆哈武拉山上为最西部亚类的祖先区,千里木最大多样性发生在晚更新世晚期。系统发育分析揭示了遗传关系和地理聚类之间的强烈相关性,每个山丘上的物种之间存在长期隔离。

测序了40个完整千里木属叶绿体基因组。系统发育关系和生物地理学框架揭示了千里木在坦桑尼亚北部进化成一个新群体,时间为2.3 mya,然后迅速蔓延到肯尼亚其他山区,而后又扩散到乌干达山脉,时间约为985 kya。多重远距离扩散事件和异域物种形成是巨大千里木快速多样化的主要机制。然而,为深入了解植物群的进化模式,未来的研究除了整合来自不同植物基因组的数据外,还应该关注姐妹群的密集抽样。

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