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利用叶绿体基因组研究物种杂交-多倍化物种形成

发布日期:2022-06-21 浏览次数:163

利用叶绿体基因组研究物种杂交-多倍化物种形成

亚麻荠属(十字花科)叶绿体系统基因组学揭示多倍体物种的多起源和亚麻荠的母系遗传

导读

    叶绿体基因组单亲本遗传,缺乏重组,是系统发育研究和进化推断的宝贵资源。大多数开花植物叶绿体基因组是母系遗传的,特别适用于研究历史上的母系植物杂交和推断涉及多倍体事件。亚麻荠是一种古老的油料作物,在欧洲和西亚长期种植,作为食物和燃料来源,由7-8个二倍体、四倍体和六倍体组成。 农业方面感兴趣的是生物燃料作物,C. sativa,是从杂草C. microcarpa驯化而来的异源六倍体。最近细胞遗传学和基因组学研究揭示了亲本二倍体物种的身份,关系到亚麻荠属古多倍体事件,然而对当代多倍体物种的母系亚基因组祖先知之甚少。为了确定多倍体亚麻荠属的二倍体母系研究意义,对84个亚麻荠属叶绿体基因组进行了测序和系统发育分析。利用分歧时间估计推断多倍体发生时间。测定了82个个体的染色体数,以评估倍性和细胞型变异。叶绿体基因组显示出最小的差异跨属,无基因损失或结构变异。系统发育表明,C. hispida是异源四倍体Camelina rumelica的二倍体亲本,C. ignoreecta是离C. microcarpa 、C. sativa异六倍体最近的二倍体贡献者。四倍体C. rumelica似乎通过多次独立杂交事件进化而来,与C. sativa密切相关的多倍体世系分化时间推断为六万五千年前。染色体计数证实C. microcarpa内存在两种不同的细胞类型(2n = 38和2n = 40)。

论文ID

原名:Chloroplast phylogenomics in Camelina (Brassicaceae) reveals multiple origins of polyploid species and the maternal lineage of C. sativa

译名:亚麻荠属(十字花科)叶绿体系统基因组学揭示了多倍体物种的多起源和亚麻荠的母系遗传

期刊: Horticulture Research

IF:6.793

发表时间:2022.1

通讯作者:Jordan R. Brock

通讯作者单位:圣路易斯华盛顿大学

DOI: 10.1093/hortre/uhab050


实验设计

研究材料:新鲜叶片、硅胶保存叶片、标本室样品


技术方法

1、叶绿体基因组取样测序:收集77份样品,67份为新鲜叶片、5份为硅胶保存叶片,CTAB 法提取DNA Illumina HiSeqPE150建库测序;5份标本室样品为了确保提取DNA 质量采用新的提取方法,使用Qubit fluorometer 评估DNA 质量,Illumina HiSeq 4000 建库测序 ,然后组装分析叶绿体基因组。

2、染色体数量统计:首先采集样品的根尖或者花序冰水预处理16h,乙醇/乙酸(3:1)液体4℃固定24h,然后-20℃ 保存。其次蒸馏水冲洗根尖或花序(两次5分钟),然后在柠檬酸缓冲液中用纤维素酶、细胞裂解酶、果胶裂解酶消化3h。消化后根尖或花序在20ul醋酸显微镜载玻片上解剖,将其铺在金属板上(50℃)30s。紧接着将固定剂滴在乙酸周围,把制剂固定在新鲜制备的乙醇/乙酸(3:1)固定剂中,用电吹风吹干制剂用相差显微镜进行分级。再次将玻片用 2 μg/ml DAPI染色,用Zeiss Z2 荧光显微镜和 and CoolCubeCCD 拍照,统计染色体数目。


实验路线图


结 果

    核型分析仅显示C.microcarpa细胞型变异

表1亚麻荠属分类群叶绿体基因组数、核型和大小范围

    对82份亚麻荠属种质资源进行染色体计数。其中,46个是C. microcarpa,25个为2n = 38个,21个2n = 40。C. microcarpa 中的这两个细胞型组对应于该物种的两个先前确定的遗传亚群, 2n = 38 属于“乌克兰”遗传种群, 2n = 40 属于“高加索”遗传种群。其他物种没有观察到染色体数目的变化,其中包括8个 C. laxa (2n = 12),2个 C. neglecta (2n = 12),5 个C. hispida (2n = 14), 3个 C. neglecta-like (2n = 26), 10个 C.rumelica (2n = 26),  8个 C. sativa (2n = 40),总的来说除了 C. microcarpa显示两种不同的细胞型,其他的没有染色体数目变异。


叶绿体测序显示亚麻荠属低基因内变异


     叶绿体大小为152 986 ~ 154 455 bp,(IR为26 484 ~ 27 164 bp,LSC为81 555 ~ 83 661 bp,SSC为17 820 ~ 17 934 bp。样本都有79种蛋白质编码基因、30种tRNAs和4种rRNAs保守基因,无基因丢失或增加。所有个体都没有rps16拷贝,但在亚麻荠族物种中存在,亚麻属植物的LSC、IR和SSC连接几乎相同,没有显著的结构重排或基因丢失。物种内叶绿体基因组大小相对一致,物种间变异也较低。亚麻荠叶绿体中共有962个可变位点,347个单个位点和615个简约性信息位点,叶绿体总体核苷酸多样性 π = 0.00121, LSC π = 0.00139, IR π = 0.00014, SSC π = 0.00199。任何编码基因或 rRNAs中无显著核苷酸多样性峰值。保守的叶绿体基因组结构和低核苷酸多样性说明整个属叶绿体基因组几乎没有进化分歧。系统基因组分析为多倍体谱系的母系起源提供深入见解



    最大似然(ML)系统发育分析亚麻荠叶绿体基因组显示出强有力的支持(100% )用于二倍体的单系物种 C. laxa 和 C. ignorea 以及 C. anomala。尽管二倍体 C. hispida 和四倍体 C. rumelica 一起形成了具有 100% 置信值的进化枝,但这两个分类群并未形成该进化枝内的互惠单系姐妹进化枝。C. hispida 是 C. rumelica 的母本,异源四倍体 C. rumelica 可能有多个起源。六倍体 C. microcarpa(两种细胞型)及其驯化的衍生物 C. sativa 形成一个进化枝。 C. ignorea 姐妹分支 到 C. microcarpa/C. sativa进化枝; 表明 C. ignorea与异源六倍体谱系的母体四倍体贡献者最接近现存二倍体,推断C. sativa 中的 C. hispida 亚基因组来自父系血统。C. anomala 是C. hispida/C. rumelica 的姐妹分支,尽管鉴于其相对较高的分歧和枝长长。它可能不是多倍体谱系短枝。同样C. laxa 与任何其他血统都不具有相似的叶绿体单倍型,因此似乎没有作为母体父母贡献给任何其他物种,表明亚麻荠属叶绿体基因组在系统发育和杂交推断中非常有用。

    单倍型网络分析对 C. microcarpa 和 C. sativa 叶绿体进行更仔细的分析,尽管亚基因组组成存在差异,但两种 C. microcarpa 细胞型具有非常相似的叶绿体基因组,没有显示出明显的系统发育分歧。低水平的变异和缺乏单倍型结构C. microcarpa/sativa 谱系没有提供明确的见解作物驯化的地理起源。


分歧时间估计揭示极近期亚麻荠属多倍体世系起源


    所有蛋白质编码基因、 LSC、IR 、 SSC 串联数据集进行 BEAST 分析 发现亚麻荠叶绿体在 716 Mya前从外群荠属中分化出来;低分支后验概率值表明这种关系是不确定的。所有亚麻荠叶绿体单倍型的最近共同祖先 (MRCA) 估计为 ~1.62 Mya, Camelina 中,有证据表明最近的杂交起源几个多倍体谱系。四倍体 C. rumelica 与二倍体 C. hispida 叶绿体单倍体相差 0.29 Mya。 进化枝包括四倍体 C. ignorea-like、六倍体 C.microcarpa 细胞型,C. sativa 有一个最近的共同祖先,约为 65 Mya; 据估计,驯化的 C. sativa 与 C. microcarpa 的 2n = 40 细胞型相差 17 Mya,大约是农业起源规模10-12 Mya。 最近与该组相关的二倍体物种是 C. ignorea,约为 0.92 Mya。Camelina 中,这些时间表明所有物种之间可能存在更新世分歧,最近在 C. neglecta-like/C. microcarpa/C. sativa  组内出现了更多的多样化。 因此,在 Camelina 中进行分歧时间估计虽然一些物种的起源相对较早,但三个多倍体C. ignorea-like、C. microcarpa、C. sativa似乎共享一个最近的共同母系祖先。


结 论

    结果表明 C. rumelica 中 C. hispida 叶绿体的母系遗传以及 C.  microcarpa和 C. sativa 中 C. ignorea 或 C. ignorea-like叶绿体的母系遗传。发现了多个独立多倍事件证据C. rumelica 的起源来自 C. hispida。四倍体 C. ignorea 类群的高度序列相似性和单系性,以及所有 C. microcarpa 和 C. sativa叶绿体,表明这些分类群有一个单一的、共同的母系祖先。分歧时间估计表明,所有 Camelina 分类群的 MRCA 是最近的 ~1.62 Mya,异源四倍体 C. rumelica 起源于 ~0.29 Mya,异源六倍体 C. microcarpa/C. sativa 最近起源于~65 Kya。值得注意的是,尽管 C. microcarpa 的两种细胞型缺乏共同的杂交起源,但它们显示出高度相似的叶绿体基因组,与最近的共同母系祖先一致。 C. microcarpa 和 C. sativa 叶绿体基因组中存在的多态性不足以恢复关于这种驯化事件的地理起源的明确特征。  2n = 40 个 C. microcarpa 核型,而本研究包括2n = 38 和 2n = 40 细胞型,属于两个不同的遗传种群。 乌克兰遗传群体为2n = 38,高加索个体为2n = 40 ,支持了之前观察到的这两组之间与染色体数目变异相关的高度遗传分化。如果假设正确,C. microcarpa 的 2n = 40 细胞型对育种工作具有更高的价值,以提高作物的遗传多样性。

    C. anomala与C. hispida/C。rumelica分支提供了先前通过核型测序确定的与C. hispida密切关系的额外证据,表明,C. anomala确实是一个独特的物种,但其目前的分布、倍性以及是否存在于野外尚不清楚。研究反驳了C. anomala是亚麻荠属的基础种的假设,补充了C. laxa是亚麻荠属中最基础的种的报道。 值得注意的是,四倍体C. ignored -like分类群(2n = 26)、2n = 38的C. microcarpa和2n = 40的C. microcarpa/sativa的叶绿体均为单系,分枝较浅,亚结构较少。研究结果进一步表明,可能存在四倍体 C. rumelica 的多个独立起源。本研究揭示了具有独特核型 (2n = 38) 的 C. microcarpa 的单独谱系的证据,这是 2n = 40 C. microcarpa/sativa (2n = 40) 的姐妹谱系。这三个类群的叶绿体基因组均为单系,差异不大,表明它们都有一个共同的母系祖先,很可能在最近的过去时间形成。此外,这些组都共享一个 C. ignorea 亚基因组,而 2n = 38 C. microcarpa 缺少 2n = 40 C. microcarpa 和 C. sativa 中发现的 C. hispida 亚基因组,表明两个起源涉及两种 C. microcarpa “类型”的不同二倍体祖先。

    2n = 40 C. microcarpa 及其驯化的 C. sativa 的差异为 ~17 Kya,由于C. hispida、 C. rumelica 进化枝的混合结构和相对较长的分支长度,这些日期可能会因采样而发生很大变化。分歧时间估计提供了Camelina 相对杂交和全基因组复制事件的时间,并为异源六倍体谱系的最近起源提供了强有力的支持。

Camelina 亚基因组进化的意义

    鉴于高度的全基因组分化这些 C. microcarpa 细胞型基于基因分型-通过测序加上它们在亚基因组组成、核型和可能性不相容性方面的差异,认为将两种细胞型中的一种识别为不同的物种是合适的。最近解决的正确类型的指定C. microcarpa 的标本现在将允许合适的此名称在未来分类学处理中的应用。


小编总结

    本文利用分子生物学和测序生信分析两方法研究“杂交-多倍化物种形成”。利用压片法分析物种的染色体数量和倍性,然后通过测序组装叶绿体基因组分析其系统发育和分歧时间估计进而研究它的倍性起源和多倍化物种形成时间。研究表明C. microcarpa 中的这两个细胞型组对应于该物种的两个先前确定的遗传亚群, 2n = 38 属于“乌克兰”遗传种群, 2n = 40 属于“高加索”遗传种群,四倍体C. rumelica似乎通过多次独立杂交事件进化而来,C. hispida 是 C. rumelica 的母本,异源四倍体 C. rumelica 可能有多个起源。所有亚麻荠叶绿体单倍型的最近共同祖先 (MRCA) 估计为 ~1.62 Mya,C. ignorea-like、C. microcarpa、C. sativa似乎共享一个最近的共同母系祖先。 C. microcarpa 的两种细胞型缺乏共同的杂交起源,C. rumelica 的起源来自 C. hispida,C. anomala确实是一个独特的物种。C. microcarpa 细胞型基于基因分型-通过测序加上它们在亚基因组组成、核型和可能性不相容性方面的差异,认为将两种细胞型中的一种识别为不同的物种是合适的。


对标产品介绍

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