葉綠體基因組測序及其在系統(tǒng)發(fā)育和物種鑒定中的應(yīng)用進(jìn)展

發(fā)稿時間：2018-08-17來源：天昊生物

 

當(dāng)前，利用二代高通量測序技術(shù)對動植物葉綠體、線粒體基因組進(jìn)行測序，已經(jīng)取得越來越多的研究成果。該方法無需提純?nèi)~綠體和線粒體基因組，直接從全基因組高通量測序數(shù)據(jù)中提取并拼接葉綠體和線粒體基因組序列，該方法降低了樣本制備、測序等實驗難度，縮短了時間，為獲得葉綠體和線粒體基因組提供了一種新的途徑。今天，小編就跟大家分享兩篇近期利用該方法，在植物系統(tǒng)發(fā)育分析和DNA條形碼物種鑒定方面取得的進(jìn)展。

 

（一）

  

題目：中國特有尾囊草屬葉綠體基因組比較分析及其在葉綠體系統(tǒng)發(fā)育和適應(yīng)性進(jìn)化中的貢獻(xiàn)

發(fā)表期刊：Int. J. Mol. Sci. 發(fā)表時間：2018-6-22 影響因子：3.687

 

研究內(nèi)容

尾囊草屬（Urophysa）是中國特有的一個屬，包括兩個種，即距瓣尾囊草（Urophysa rockii）和尾囊草（Urophysa henryi）。在本研究中，研究者采用Illumina測序技術(shù)對這兩個種及其相關(guān)物種天葵子（Semiquilegia adoxoides）的完整葉綠體基因組進(jìn)行了測序。通過序列比較，闡明了種內(nèi)和種間變異，推斷與其他毛茛科物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。

 

實驗方法

葉綠體基因組測序和組裝使用Illumina Hiseq 2500進(jìn)行測序，用一代測序?qū)θ笨谶M(jìn)行補測?；蚪M注釋和分析用在線程序DOGMA注釋的。用OGDRAW1繪制基因組圈圖。重復(fù)序列及SSRs分析利用MISA尋找搜索葉綠體基因組中的微衛(wèi)星基因座。系統(tǒng)發(fā)育分析使用 MAFFT、MEGA軟件進(jìn)行。葉綠體基因組核苷酸多樣性利用DnaSP軟件，正選擇分析使用基于優(yōu)化分支點模型結(jié)合貝葉斯經(jīng)驗(BPB)方法。

 

部分研究圖表結(jié)果

 

 

圖1、距瓣尾囊草、尾囊草和天葵子葉綠體基因組圖譜。圓圈內(nèi)顯示的基因是順時針轉(zhuǎn)錄的，圓圈外的基因是逆時針轉(zhuǎn)錄的。屬于不同功能組的基因是彩色編碼的。內(nèi)環(huán)中較深的灰色對應(yīng)于GC含量，較淺的灰色對應(yīng)于AT含量。SSU:小亞單位；LSU:大亞單位；ORF:開放閱讀框

 

 

圖2、三種植物葉綠體基因組重復(fù)序列分析。(A)共有四種重復(fù)類型；(B)回文重復(fù)長度的頻率；(C)按長度列出的前向重復(fù)頻率；(D)按長度反向重復(fù)的頻率

 

 

圖3、三種植物葉綠體基因組中SSR分析。(A)在每個物種中檢測到的不同SSR類型的數(shù)量；(B)確定的SSR類型和頻率分析

 

 

 

圖4、基于尾囊草屬與相關(guān)物種的葉綠體基因組共有的79個單拷貝基因的系統(tǒng)發(fā)育分析。由(A)最大似然(ML)和(B)最大簡約(MP)與貝葉斯推斷(BI) 構(gòu)建的樹

 

 

結(jié)果與結(jié)論

 1、葉綠體基因組概況

• 距瓣尾囊草（Urophysa rockii）、尾囊草（Urophysa henryi）和天葵子（Semiquilegia adoxoides）完整葉綠體基因組大小分別為158512 bp、158303和158340 bp，為典型的四部分圓環(huán)分子結(jié)構(gòu)(圖1)。大多數(shù)基因作為單拷貝出現(xiàn)在LSC或SSC區(qū)，而18個在IR區(qū)的基因有復(fù)制情況。

2、重復(fù)序列及SSR分析

葉綠體重復(fù)序列是群體遺傳學(xué)和生物地理學(xué)研究潛在有用的遺傳資源。對各種葉綠體基因組的分析表明，重復(fù)序列對于誘導(dǎo)indels和堿基替換至關(guān)重要。

• 以距瓣尾囊草為例，其葉綠體基因組有22個回文重復(fù)，23個正向重復(fù)，5個反向重復(fù)和1個互補重復(fù)(圖2)。

葉綠體基因組中的SSRs在內(nèi)部特異性水平上可能是高度可變的，因此在群體遺傳和進(jìn)化研究中經(jīng)常被用作遺傳標(biāo)記。

• 三種植物的葉綠體基因組中檢測到五類完美SSRs (單核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸和五核苷酸重復(fù)序列)，總長度在10到26bp之間(圖3 )。

3、系統(tǒng)發(fā)育分析

為了研究距瓣尾囊草和尾囊草在毛茛科植物中的系統(tǒng)發(fā)育位置，本研究使用了12個毛茛科成員的葉綠體基因組共有的79個單拷貝基因，代表7個屬(圖4)。

• 利用貝葉斯推斷(BI)和最大簡約(MP)方法，每個譜系的后驗概率和自舉值都非常高，所有值≥98 %。最大似然法(ML)、BI和MP系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果都有力地支持了距瓣尾囊草和尾囊草聚在一起，它們的親緣關(guān)系最近，具有100%的自舉值
• 每個屬形成了一個單一的分支。完整葉綠體基因組序列和CDS序列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與單拷貝基因相似，所有譜系都具有高自舉值。

 

  

（二）

 

 

題目：利用完整葉綠體基因組作為超級條形碼來鑒定橐吾草本植物

發(fā)表期刊：Frontiers in Pharmacology 發(fā)表時間：2018-7-3 影響因子：3.831

 

研究意義

橐吾屬(菊科)有30多種植物，作為重要的藥材一直被使用。由于形態(tài)特征和一些DNA區(qū)域相同，使得鑒定橐吾屬物種仍有困難。由于一些橐吾屬植物含有吡咯烷生物堿，這些生物堿對人類和動物健康有害，并且參與肝臟的代謝毒性，因此找到更好的方法來區(qū)分這些物種很有必要。

 

實驗方法

葉綠體基因組使用Illumina Hiseq X進(jìn)行測序，用Trimmomatic軟件去除低質(zhì)量reads，SOAPdenovo2組裝成contigs，scaffold用SSPACE構(gòu)建，gaps用GapFiller補。系統(tǒng)進(jìn)化分析用mVISTA軟件對所測葉綠體基因組及參考基因組進(jìn)行比較，使用MEGA的ML法構(gòu)建進(jìn)化樹。

 

研究結(jié)果

 

 

圖1、六種橐吾屬植物完整葉綠體基因組的基因圖譜。圓圈內(nèi)的基因是順時針轉(zhuǎn)錄的，圓圈外的基因是逆時針轉(zhuǎn)錄的。內(nèi)圈較深的灰色對應(yīng)于GC含量，而較淺的灰色對應(yīng)于AT含量

 

 

圖2、L. hodgsonii葉綠體基因組所有蛋白編碼基因中20個氨基酸和終止密碼子的密碼子含量

 

 

圖3、使用mVISTA比較六個葉綠體基因組和L. hodgsonii作為參考的序列比較圖。比對上方的灰色箭頭和粗黑線分別指示基因的方向和IRs的位置。區(qū)塊使用了70 %相似性閾值，Y刻度代表50 %至100 %相似性百分比

 

 

 

圖4、基于六種橐吾和其他25種橐吾的完整葉綠體基因組，使用ML構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹

 

研究結(jié)論

• 本研究通過Illumina高通量測序技術(shù)獲得的六種橐吾屬植物的完整葉綠體基因組。這些葉綠體基因組顯示出典型的四部分環(huán)形結(jié)構(gòu)，其大小范圍從151118到151253 bp。
•  每個葉綠體基因組的GC含量為37.5 %。每個葉綠體基因組包含134個基因，包括87個蛋白質(zhì)編碼基因、37個tRNA基因、8個rRNA基因和2個假基因。
• mVISTA結(jié)果沒有潛在的編碼區(qū)或非編碼區(qū)來區(qū)分這六種橐吾屬物種，但是這六種橐吾屬物種和其他相關(guān)物種的最大似然法建樹結(jié)果顯示，整個葉綠體基因組可以作為超級條形碼來識別這六種橐吾屬物種。
• 這項研究為物種鑒定提供了寶貴的數(shù)據(jù)，為橐吾的系統(tǒng)進(jìn)化和安全醫(yī)療應(yīng)用的未來研究提供了可能。

 

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