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托盤青岡葉綠體基因組特征及系統(tǒng)發(fā)育分析

2024-11-30 00:00:00黃柯李卜宇陳曉麗秦春張雪梅
南方農(nóng)業(yè)·上旬 2024年10期

摘 要 托盤青岡(Quercus patelliformis),作為青岡亞屬植物中的一種代表植物,有著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前,關(guān)于托盤青岡葉綠體基因組的研究還未見報(bào)道。為有助于該物種的分子鑒定,首次報(bào)道了托盤青岡葉綠體基因組結(jié)構(gòu)與特征:托盤青岡葉綠體全基因組全長(zhǎng)為160 910 bp,GC含量占基因總數(shù)的36.90%;其葉綠體基因組由1個(gè)大的單拷貝區(qū)(LSC,90 236 bp),1個(gè)小的單拷貝區(qū)(SSC,18 992 bp)和1對(duì)逆向重復(fù)區(qū)(IRs,各25 841 bp)組成;托盤青岡明顯偏好以A/U結(jié)尾的密碼子;此外,共檢測(cè)到116個(gè)簡(jiǎn)單重復(fù)序列(SSR)和45個(gè)散在重復(fù)序列。在將托盤青岡與其他青岡亞屬植物進(jìn)行比較分析時(shí)發(fā)現(xiàn),它們的葉綠體基因組總體上比較保守,IR/SC邊界沒有明顯的收縮和擴(kuò)展;還發(fā)現(xiàn)了4個(gè)高變異熱點(diǎn),分別是trnK-rps16、trnF-ndhJ、rbcL-accD和ycf1。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,托盤青岡屬于青岡亞屬植物,且與赤皮青岡(Quercus gilva)有較近的親緣關(guān)系。

關(guān)鍵詞 托盤青岡;青岡亞屬;葉綠體基因組;系統(tǒng)發(fā)育分析

中圖分類號(hào):S718.46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.19.001

櫟屬(Quercus)青岡亞屬(subgenus Cyclobalanopsi)植物是亞洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要類群,目前全世界記載了90~120種[1]。長(zhǎng)期以來,櫟屬青岡亞屬植物一直與人類生活密切相關(guān),表現(xiàn)在其木材因堅(jiān)硬和美麗的紋理而具有極高的價(jià)值,是建筑、家具甚至蘑菇栽培的優(yōu)質(zhì)材料[2];此外,其殼斗和樹皮中富含單寧,可用于制備栲膠,而種子則可以用于飼料、釀酒和工業(yè)淀粉的生產(chǎn)[3]。托盤青岡是常綠喬木,它一般生長(zhǎng)在海拔400~1 000 m的常綠闊葉林中,高可達(dá)25 m,胸徑可達(dá)1 m,我國(guó)江西(南部)、廣東、廣西等地均有分布[4]。目前,對(duì)托盤青岡的分類研究集中在形態(tài)學(xué)和核基因等方面,而對(duì)其系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系缺乏深入研究,其分類地位和種間關(guān)系也并不明確[5]。

葉綠體(cp)是一種半自主細(xì)胞器,負(fù)責(zé)淀粉等多種化合物的合成。以往的研究表明,這些細(xì)胞器有一套屬于自己的遺傳系統(tǒng)[6]。在不同的被子植物中,cp基因組的組成、排列和構(gòu)型通常是保守的[7],因此它為研究植物品系和進(jìn)化提供了寶貴的材料。此外,傳統(tǒng)的分類技術(shù)更依賴于植物的形態(tài),與之相比,cp基因組已成為研究進(jìn)化關(guān)系和種內(nèi)多樣性的更可靠的基因組材料來源[8]。隨著科學(xué)技術(shù)特別是二代測(cè)序的發(fā)展,cp基因組研究將繼續(xù)揭示更多植物生命的奧秘。本研究采用二代高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)托盤青岡的cp基因組進(jìn)行測(cè)序,再對(duì)其進(jìn)行全面分析。

1 "材料與方法

1.1 "植物材料和DNA測(cè)序

本研究材料采自大明山自然保護(hù)區(qū)(廣西壯族自治區(qū)南寧市武鳴區(qū)兩江鎮(zhèn)明山路1號(hào)),將采集到的托盤青岡新鮮葉片第一時(shí)間進(jìn)行干燥保存,再對(duì)提取的DNA進(jìn)行雙端測(cè)序。使用FASTQ[9]軟件去除低質(zhì)量讀數(shù)后,獲得了用于分析的干凈數(shù)據(jù)(cleandata)。托盤青岡cp基因組DNA的提取和測(cè)序均由上海天昊生物科技有限公司完成。

1.2 "方法

1.2.1 "cp基因組組裝和注釋

首先,利用getOrganelle[10]軟件來裝配托盤青岡的cleandata;再將組裝好的數(shù)據(jù)放入CPGAVAS2[11]中進(jìn)行注釋;最后把校正過的結(jié)果提交至美國(guó)國(guó)家生物信息中心(NCBI)數(shù)據(jù)庫(登錄號(hào):PP471978)。cp基因組的完整圖譜隨后在OGDRAW上繪制。

1.2.2 "散在重復(fù)序列和SSR分析

本研究使用REPuter[12]軟件來分析散在重復(fù)序列。采用特定的參數(shù),包括最小重復(fù)長(zhǎng)度30,漢明距離為3,其他的參數(shù)都是基于默認(rèn)配置來設(shè)定的。利用了MISA[13]軟件對(duì)簡(jiǎn)單重復(fù)序列(SSR)進(jìn)行分析。不同的閾值用在不同的核苷酸重復(fù)序列上,具體參數(shù)設(shè)置如下:?jiǎn)魏塑账嵩O(shè)置為10,二核苷酸設(shè)置為5,三核苷酸設(shè)置為4,四核苷酸設(shè)置為3,五核苷酸設(shè)置為3,六核苷酸設(shè)置為3,其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。對(duì)所有分析過的重復(fù)序列進(jìn)行人工驗(yàn)證,剔除多余的結(jié)果。

1.2.3 "密碼子使用頻度分析

本研究使用geneious prime 2022[14],初步篩選了52個(gè)獨(dú)特的非重復(fù)序列,每個(gè)序列超過300個(gè)堿基對(duì),包括ATG起始密碼子,為進(jìn)一步分析做準(zhǔn)備。利用CodonW 1.4.4[15]軟件對(duì)密碼子相對(duì)使用頻度(RSCU)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)及偏好分析。

1.2.4 "cp基因組比較分析

從GenBank數(shù)據(jù)庫中下載青岡亞屬植物:扁果青岡(Quercus chapensis)等7個(gè)物種與托盤青岡共計(jì)8個(gè)物種的基因組數(shù)據(jù),使用在線軟件IRscope(https://irscope.shinyapps.io/irapp/)比較近緣物種的IR邊界(LSC/IRb、IRb/SSC、SSC/IRa和IRa/LSC)信息。采用DnaSPv5.1[16]計(jì)算8個(gè)cp基因組序列的核苷酸多樣性(Pi)。

1.2.5 "托盤青岡與其近緣物種系統(tǒng)發(fā)育分析

為了確定托盤青岡在櫟屬植物中的進(jìn)化地位,以三棱櫟為外類群,13個(gè)青岡亞屬和5個(gè)櫟亞屬植物共計(jì)20個(gè)種的cp全基因組進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建。首先利用MAFFT軟件對(duì)所獲得的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行高效比對(duì)分析,隨后采用MEGA11.0[17]來執(zhí)行更為準(zhǔn)確的手工矯正工作,最后采用最大似然法(ML)和鄰接法(NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。為了提高系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建的準(zhǔn)確性和可靠性,將bootstrap值設(shè)定為1 000,這樣可以增強(qiáng)模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力,也有助于估計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)支持率。

2 "結(jié)果與分析

2.1 "cp基因組的特征

由圖1(見封三)可見,托盤青岡cp基因組序列的總長(zhǎng)為160 910 bp,呈現(xiàn)出典型的四方結(jié)構(gòu),此四方結(jié)構(gòu)在大多數(shù)被子植物中均存在。其中LSC區(qū)域的長(zhǎng)度為90 236 bp,IRs區(qū)域的長(zhǎng)度為25 841 bp,SSC區(qū)域的長(zhǎng)度為18 992 bp。GC含量在全基因組、LSC、SSC和IRs中分別為36.90%、34.74%、31.09%和42.77%。在被子植物中,比較常見的是IRs區(qū)域的GC含量明顯高于LSC、SSC區(qū)的GC含量,這是因?yàn)樵搮^(qū)域存在rRNA基因[18]。

2.2 "散在重復(fù)序列、SSR的數(shù)量和類型

在生物學(xué)的復(fù)雜世界里,散在重復(fù)序列扮演著重要角色。正向重復(fù)序列(F)以一種固定的模式重復(fù)排列,回文重復(fù)序列(P)則表現(xiàn)為一種特殊的反向?qū)ΨQ性,反向重復(fù)序列(R)以相反方向進(jìn)行復(fù)制,互補(bǔ)重復(fù)序列(C)則在DNA序列中形成一種互補(bǔ)配對(duì)。在托盤青岡cp基因組的研究中,我們總共檢測(cè)到了45個(gè)散在重復(fù)序列,包括16個(gè)F序列、23個(gè)P序列、5個(gè)R序列和1個(gè)C序列。這些重復(fù)序列大多數(shù)位于內(nèi)含子(Intron)和基因間隔區(qū)(IGS)中,少數(shù)位于外顯子中(見圖2)。

托盤青岡cp基因組中共檢測(cè)到116個(gè)SSR,包括單堿基80個(gè)、二堿基15個(gè)、三堿基7個(gè),此外還有四堿基11個(gè)、五堿基3個(gè),單堿基重復(fù)類型絕大部分表現(xiàn)為A/T(見圖3)。從基因的編碼區(qū)和非編碼區(qū)的角度分析,85個(gè)SSR位于基因間隔區(qū),15個(gè)位于外顯子,16個(gè)位于內(nèi)含子中;從基因的四分體結(jié)構(gòu)分析,SSR有89個(gè)位于LSC區(qū)域,17個(gè)位于SSC區(qū)域,10個(gè)位于IRs區(qū)域。

2.3 "密碼子的使用頻度

圖4下方的方框代表編碼每個(gè)氨基酸的所有密碼子,直方圖的顏色與密碼子的顏色相對(duì)應(yīng)。通過對(duì)托盤青岡cp基因組中密碼子使用情況的研究,發(fā)現(xiàn)30個(gè)密碼子的RSCU取值都在1以上,說明它們經(jīng)常被使用,這些密碼子中有28個(gè)是以A或U結(jié)束的,暗示了它們的基因組傾向于以A/U結(jié)束。然而,目前對(duì)色氨酸和甲硫氨酸密碼子的RSCU均未表現(xiàn)出顯著的偏好性(RSCU=1)。

2.4 "邊界比較與序列變異分析

通過對(duì)8個(gè)青岡亞屬植物cp基因組的單拷貝區(qū)和反向重復(fù)區(qū)邊界進(jìn)行比較(見圖5),觀察到青岡亞屬的cp基因組整體上呈現(xiàn)出較高的保守性。研究發(fā)現(xiàn),trnH基因長(zhǎng)度在各物種中保持為75 bp,但在托盤青岡和其他3個(gè)物種中擴(kuò)增了16 bp,在毛果青岡和其他3個(gè)物種中擴(kuò)增了14 bp,從而表明了在進(jìn)化過程中的適應(yīng)性變化。rpl2基因與LSC-IRb邊界的距離變化在61~65 bp,表明在不同物種中,IR邊界存在微小的變異。ndhF基因在所有物種中都沒有觀察到跨越IRb-SSC邊界的現(xiàn)象。但是,華南青岡和托盤青岡在IRb-SSC的邊界位置展示了最大127 bp的擴(kuò)展,這凸顯了基因組邊界區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化。

以檳榔青岡為參考,進(jìn)行8種青岡亞屬植物cp基因組比對(duì)分析(見圖6)(見封三)。可以看出,青岡亞屬植物具有良好的線性關(guān)系,表示這8種青岡亞屬植物的cp沒有發(fā)生重排和易位;還可以看出青岡亞屬植物cp基因組序列變異度小,其進(jìn)化非常保守,但在一些區(qū)域也存在差異,差異程度在區(qū)域上主要表現(xiàn)為L(zhǎng)SC>SSC>IRs,變異主要出現(xiàn)在序列的非編碼區(qū)(CNS)。

在對(duì)8個(gè)青岡亞屬植物進(jìn)行深入的遺傳研究后,發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)引人注目的核苷酸多態(tài)性(Pi)現(xiàn)象。如圖7所示,反向重復(fù)區(qū)域的序列保守性相對(duì)高于單拷貝區(qū)域?;谶@個(gè)觀察結(jié)果,本研究篩選了trnK-rps16、trnF-ndhJ、rbcL-accD和ycf1基因(Pi > 0.010),確定它們是研究櫟屬物種間遺傳和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的潛在DNA條形碼。

2.5 "系統(tǒng)發(fā)育推斷

為了探索托盤青岡在櫟屬植物之間的系統(tǒng)發(fā)育位置,本研究以三棱櫟為外類群,包括托盤青岡在內(nèi)的19個(gè)櫟屬植物構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,使用ML法和NJ法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本一致(見圖8)。外類群三棱櫟最先從發(fā)育樹分化出來,其余19個(gè)櫟屬植物聚成兩大支:第一支是由14個(gè)物種組成的青岡亞屬支,托盤青岡也在這一支中,值得注意的是托盤青岡未與其他青岡亞屬物種聚為姐妹支,其與赤皮青岡的親緣關(guān)系最近。第二支是由5個(gè)物種組成的櫟亞屬支,此結(jié)果與鄧敏使用RAD-seq(限制性位點(diǎn)相關(guān)DNA測(cè)序)重建了青岡亞屬的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果一致。完整的cp基因組序列為今后的分類學(xué)或資源保護(hù)等工作奠定了基礎(chǔ)。

3 "結(jié)論與討論

3.1 "結(jié)論

本研究對(duì)托盤青岡cp基因組進(jìn)行了測(cè)序,并對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行了全面分析。cp基因組的組裝和注釋顯示,托盤青岡的cp基因組呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)狀四聚體構(gòu)造,cp基因組大小為106 910 bp。通過對(duì)基因組特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)托盤青岡cp基因組更喜歡以A/U結(jié)尾的密碼子。托盤青岡cp基因組中最常見的簡(jiǎn)單重復(fù)序列是單核苷酸,主要以A/T為基礎(chǔ)。隨后將托盤青岡與7個(gè)青岡亞屬植物的cp基因組進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)IR/SC邊界沒有明顯的收縮和擴(kuò)展,青岡亞屬cp基因組整體較為保守。此外,還發(fā)現(xiàn)了4個(gè)高變異熱點(diǎn),分別是trnK-rps16、trnF-ndhJ、rbcL-accD和ycf1。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明,托盤青岡屬于青岡亞屬植物,且與赤皮青岡有較近的親緣關(guān)系。總的來說,托盤青岡的cp基因組基本特征與其他青岡亞屬植物相似,這些發(fā)現(xiàn)將有助于進(jìn)一步研究櫟屬植物的分類、系統(tǒng)進(jìn)化和保存。

3.2 "討論

櫟屬的分類系統(tǒng)已得到全球公認(rèn),但在這一框架內(nèi)對(duì)完整的cp基因組的分析和報(bào)告卻很有限[19],本研究旨在通過分析托盤青岡的cp基因組來填補(bǔ)這一空白。本研究經(jīng)過Illumina測(cè)序平臺(tái)測(cè)序、序列組裝、注釋,獲取了托盤青岡cp完整的基因組序列,G/C堿基含量雖然低于A/T堿基,但GC含量在基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)化歷程中扮演了重要角色,它能影響復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯過程與熱穩(wěn)定性[20]。cp基因組序列之間的邊界位置是研究cp基因組進(jìn)化的關(guān)鍵部分,IR邊界的收縮和擴(kuò)展有助于闡明不同類群之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系[21-22]。值得注意的是,IR/SC邊界位置可能會(huì)因IR區(qū)域發(fā)生變化,這是植物支原體基因組中常見的進(jìn)化現(xiàn)象[23]。本研究中比較的所有物種的IRs/SCs邊界都位于相似的位置,不同物種之間的位移差異很小。青岡亞屬植物部分的保守性表現(xiàn)在cp基因組的長(zhǎng)度相對(duì)恒定,其區(qū)域邊界的變化較小,這與其他青岡亞屬物種的情況相同[24]。密碼子使用偏好是生物進(jìn)化的一個(gè)重要方面,受到影響遺傳密碼子功能的各種因素的影響[25]。同義密碼子是由突變產(chǎn)生的,其相對(duì)使用情況可通過RSCU進(jìn)行量化,從而揭示不同基因?qū)γ艽a子偏好的差異[26],通過RSCU分析,托盤青岡明顯偏好以A/U結(jié)尾的密碼。重復(fù)序列在存儲(chǔ)遺傳信息、影響基因表達(dá)及影響物種的遺傳進(jìn)化等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[27],在我們的研究中發(fā)現(xiàn)單核苷酸重復(fù)序列最為常見。托盤青岡cp基因組中SSR顯示出較高的A/T堿基組成,表現(xiàn)出對(duì)A/T堿基的偏好。值得注意的是,本研究中并未檢測(cè)到六核苷酸重復(fù)序列,這與之前對(duì)青岡亞屬的研究結(jié)果一致[28]。我們還在托盤青岡cp基因組中發(fā)現(xiàn)了分散的重復(fù)序列,這些重復(fù)序列主要由F和P組成。

本研究以檳榔青岡基因組為參照,分析比較了托盤青岡在內(nèi)的8個(gè)物種。結(jié)果表明,這些cp基因組在編碼區(qū)表現(xiàn)出高度的保守性,而在非編碼區(qū)尤其是在LSC、SSC區(qū)表現(xiàn)出顯著的差異,這與大多數(shù)被子植物cp基因組表現(xiàn)出高度區(qū)域多樣性的結(jié)果相似[29]。進(jìn)行的核苷酸多態(tài)性分析顯示了8個(gè)植物物種cp基因組中核苷酸多樣性值(Pi)的范圍。共篩選出4個(gè)高突變區(qū)域,即trnK-rps16、trnF-ndhJ、rbcL-accD和ycf1基因。由于ycf1基因在cp功能中的作用尚不完全清楚,這種變異可能反映了這些物種特定適應(yīng)性的進(jìn)化。這些高變異區(qū)為開發(fā)分子標(biāo)記提供了寶貴的資源,而且由于其遺傳多樣性,是開發(fā)物種特異性DNA條形碼的理想候選區(qū)[30]。

中國(guó)是世界公認(rèn)的第二大櫟屬多樣性中心,在了解櫟屬物種進(jìn)化方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。盡管存在這些挑戰(zhàn),鄧敏還是為櫟屬青岡亞屬建立了一個(gè)分類系統(tǒng)。然而,中國(guó)櫟屬唯一的分子系統(tǒng)學(xué)分析依賴于RAD-seq測(cè)序[31]。大多數(shù)利用cp基因組的研究都成功得到了高分辨率和支持良好的系統(tǒng)發(fā)育樹,即使是在系統(tǒng)發(fā)育上具有挑戰(zhàn)性的植物類群中也是如此。本研究中,我們構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹,確定了托盤青岡在青岡亞屬植物中的大概位置。但是在這個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹中,托盤青岡并未與現(xiàn)已公布了cp基因組的物種聚為姐妹分支,因此還需要更多的數(shù)據(jù)來確定托盤青岡的具體位置。理想情況下,我們能根據(jù)cp基因組信息解決整個(gè)青岡亞屬乃至櫟屬的物種劃分問題,期待未來能找到破解櫟屬植物進(jìn)化的奧秘。

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(責(zé)任編輯:易 "婧)

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