甘蔗叶绿体基因组研究进展

随着现代分子生物学技术的发展,目前已经完成了多种植物叶绿体基因组的全序列测定,并研究了这些基因的结构、功能与表达。大部分高等植物的叶绿体基因组结构稳定,基因数量、排列顺序及组成上具有保守性。随着甘蔗叶绿体基因组测序工作的完成,为甘蔗叶绿体相关研究奠定了良好基础。文章从甘蔗叶绿体基因组图谱、结构和功能基因、叶绿体RNA编辑以及甘蔗属叶绿体系统进化等方面综合概述了甘蔗叶绿体基因组研究取得的成果,并从甘蔗叶绿体遗传转化、甘蔗及近缘属叶绿体基因组测序和叶绿体基因组cpSSRs开发利用等方面指出甘蔗叶绿体基因组今后的研究方向。     

甘蔗叶绿体基因组研究进展

随着现代分子生物学技术的发展,目前已经完成了多种植物叶绿体基因组的全序列测定,并研究了这些基因的结构、功能与表达.大部分高等植物的叶绿体基因组结构稳定,基因数量、排列顺序及组成上具有保守性.随着甘蔗叶绿体基因组测序工作的完成,为甘蔗叶绿体相关研究奠定了良好基础.文章从甘蔗叶绿体基因组图谱、结构和功能基因、叶绿体RNA编辑以及甘蔗属叶绿体系统进化等方面综合概述了甘蔗叶绿体基因组研究取得的成果,并从甘蔗叶绿体遗传转化、甘蔗及近缘属叶绿体基因组测序和叶绿体基因组cpSSRs开发利用等方面指出甘蔗叶绿体基因组今后的研究方向.     

萝藦叶绿体基因组结构及进化发育分析

萝藦(Metaplexis japonica(Thunb.)Makino),具有一定的食用价值和药用价值。本研究目的是获得萝藦叶绿体基因组拼接,分析叶绿体基因组序列特征,确定其在近缘物种中的系统进化关系。研究方法是利用Illumina平台对萝藦叶绿体基因组进行高通量测序,使用一系列生物信息学分析方法,完成基因组拼接和基因注释,分析重复序列特征。结合萝藦多个近缘物种,分析边界基因的变异,构建多物种系统进化树。结果表明,萝藦叶绿体基因组是典型的环状四分体结构,全长157 081 bp, GC含量是36.49%。共注释132个基因,包含有45个光合作用相关基因、74个自我复制相关基因、6个其他基因和7个功能未知基因。鉴定得到271个简单重复序列(SSR)位点,其中以单碱基重复为主,其次是三碱基重复。多物种比较和系统进化分析证实,萝藦属于鹅绒藤属,与马利筋属和牛角瓜属是进化上更近的属间植物。     

蝶形花科植物叶绿体基因组研究进展

被子植物叶绿体基因组比较保守,但豆科植物中蝶形花科叶绿体基因组却表现出高度分化的特征.通过综述蝶形花科叶绿体基因组在进化过程中多个基因/内含子丢失、倒置的发生对基因排列顺序变化的影响,不同物种间或同一物种中不同基因间进化速率的差异等特征,推测重复序列的存在可能是其出现高度分化的一个重要原因.目前已测序的蝶形花科植物叶绿体基因组的数量有限,叶绿体基因组高度分化的内部机制尚不完全清楚.随着越来越多的蝶形花科植物叶绿体基因组测序的完成,可以深入探讨叶绿体基因丢失的机制及影响;通过开发高变的叶绿体基因标记,可对蝶形花科进行近缘物种的系统学研究.     

两型豆属叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

为明确锈毛两型豆的叶绿体基因组结构和两型豆属叶绿体基因组密码子使用偏性及影响因素,以亚热带中、南部地区具有广阔开发利用前景的豆科草种—锈毛两型豆(Amphicarpaea ferruginea)为试验材料,利用高通量测序技术对锈毛两型豆进行叶绿体基因组测序、组装和注释,对其叶绿体基因组结构、基因组成进行分析。同时利用CodonW 1.4.2软件和CUSP在线程序等软件分析锈毛两型豆和两型豆的基因密码子使用偏性参数和核苷酸组成。结果显示：锈毛两型豆叶绿体基因组全长为152 531 bp,包含83 364 bp的大单拷贝(LSC)区、17 935 bp的小单拷贝(SSC)区和25 616 bp的1对反向重复序列,为典型四分体结构,GC含量为35.44%;叶绿体基因组共编码130个基因,包括85个蛋白质编码基因、37个tRNA基因和8个rRNA基因;叶绿体基因组共检测出73个简单重复序列(SSRs),单、二、三、四、五和六核苷酸SSRs的数目分别为41、28、3、1、0和0。从锈毛两型豆和两型豆叶绿体基因组中筛选到适用于密码子使用偏好性分析的CDS基因共48条,两种植物叶绿体基因组具有相似的...     

黄丹木姜子叶绿体基因组特征分析

【目的】分析黄丹木姜子（Litsea elongata）叶绿体基因组特征,为木姜子属物种鉴定、遗传多样性分析和资源保护提供理论参考。【方法】基于Illumina HiSeq 2000高通量测序平台对黄丹木姜子叶绿体基因组进行测序,利用GeSeq在线工具对叶绿体基因组进行注释,并利用REPuter、MISA、CodonW和IQ-TREE等生物信息学软件对其基因组结构、基因数目、序列重复、密码子使用偏性和系统发育进行分析。【结果】黄丹木姜子叶绿体基因组全长为154028 bp,具有典型的四分结构,编码126个基因,其中蛋白编码基因82个,rRNA基因 8个,tRNA基因 36个。叶绿体基因组的注释基因中,有9个基因含1个内含子,有3个基因含有2个内含子,其余基因均不含内含子;44个基因编码蛋白参与光合作用信号途径,21个基因编码蛋白构成了核糖体大小亚基。黄丹木姜子叶绿体基因组含有32对长序列重复和90个SSR位点,其中,正向重复和回文重复最多,均为12对,反向重复和互补重复分别为6和2对;95.56%的SSR位点位于单拷贝区［大单拷贝区（LSC）和小单拷贝区（SSC）］,仅4.44%的SSR位点位于反向重复区（IR）。黄丹木姜子叶绿体蛋白编码基因GC含量为39.14%,GC3s为27.95%,平均有效密码子数（ENC）为49.04,说明其密码子偏性弱;相对同义密码子使用度（RSCU）大于1.00的密码子31个,其中13个以A结尾,16个以U（T）结尾。系统发育进化树分析结果显示,木姜子属的14个物种聚为两组,其中黄丹木姜子和10种木姜子属植物聚在一个组,与日本木姜子的亲缘关系最近。【结论】黄丹木姜子叶绿体基因组结构保守,偏好A或U（T）结尾的密码子,鉴定的SSR位点可用于物种鉴定和群体遗传学研究。     

大旗瓣凤仙花与瑶山凤仙花叶绿体全基因组比较及系统发育分析

【目的】比较大旗瓣凤仙花和瑶山凤仙花的叶绿体全基因组序列,并分析凤仙花属20个物种的系统发育情况及遗传进化关系,为证实这两个分类群的早期植物学分类及其种质资源利用和遗传改良提供理论依据。【方法】基于BGISEQ-500测序平台,对大旗瓣凤仙花和瑶山凤仙花叶绿体基因组进行测序,利用Fastp软件和NOVOPlasty v.2.6.2程序对叶绿体基因组进行组装。利用CpGAVAS在线工具对叶绿体基因组序列进行注释,并使用MAFFT v.7.0、CAIcal、REPuter、MISA和FastTree等生物信息学软件进行序列比对、密码子偏性分析、重复序列定位及简单重复序列(SSRs)和系统发育分析。【结果】大旗瓣凤仙花和瑶山凤仙花叶绿体基因组长度分别为152437和152286 bp,GC含量分别为36.77%和36.80%;其中大单拷贝(LSC)区分别为83331和83212 bp,小单拷贝(SSC)区分别为17376和17312 bp,反向重复区(IRa和IRb)分别为25865和25881 bp。大旗瓣凤仙花和瑶山凤仙花叶绿体基因组均包含88个蛋白编码基因、8个rRNA基因和37个t RNA基因,且无假基因。系统发育分析结果表明,凤仙花属内的物种分类与基于系统形态学分析的早期植物学分类一致;虽然大旗瓣凤仙花和瑶山凤仙花叶绿体基因组非常接近,但二者为不同的凤仙花属种类,而不是早期形态分类学上的两个亚种水平。【结论】大旗瓣凤仙花和瑶山凤仙花为2个独立的凤仙花属种类,二者叶绿体基因组发生部分遗传变异,鉴定出的SSRs位点可用于物种鉴定和群体遗传学研究。     

黄皮叶绿体基因组测序与分析

[目的]分析黄皮[Clausena lansium(Lour.)Skeels)]叶绿体基因组,为黄皮属不同种或品种的进化、杂交、演变,以及黄皮不同品种的鉴定等提供技术支持。[方法]使用试剂盒提取了黄皮的叶绿体DNA,通过测序、组装、注释获得了黄皮叶绿体基因组。[结果]黄皮叶绿体基因组全长159 283 bp,其中反相重复序列区(IRs)长53 998 bp,大单拷贝序列区(LSC)和小单拷贝序列区(SSC)长度分别为87 301、 17 983 bp,共注释126个基因,包括编码蛋白基因89个,tRNA基因29个和rRNA基因8个。黄皮叶绿体基因组全序列GC含量38.7%。对5种芸香科果树的全长序列、SSC、LSC、 IRA、 IRB进行比较分析发现,假黄皮的叶绿体全长序列、LSC、IRA、IRB区域的长度较其他4种果树长,柠檬的SSC区域长度最长,黄皮的全长序列和SSC区域长度最短。黄皮叶绿体的基因数目和编码蛋白数目较其他4种果树多。对20种园艺植物的叶绿体基因组进行分析发现,同一科下面的不同属植物或同一属下面的不同种更容易聚为一类。[结论]该研究丰富了热带果树的叶绿体基因组数据库,为种质资源的合理开发利用提供了依据。     

玉米CMS-C同质异核、同核异质系叶绿体基因组比较分析

【目的】基于玉米细胞质雄性不育材料粗制线粒体DNA高通量测序数据,对叶绿体基因组进行组装。【方法】应用Illumina Hiseq 2500平台进行线粒体DNA测序。利用软件Velvet对过滤后的clean reads进行拼接和叶绿体基因组的组装。采用在线注释软件DOGMA(http://dogma.ccbb.utexas.edu/)对叶绿体基因组完整序列进行基因预测和基因功能分析。【结果】成功组装出C48-2和C黄早四2个不育系及48-2和黄早四2个保持系的叶绿体基因组,大小分别为140 473 bp(C48-2)、140 478 bp(C黄早四)、140 458 bp(48-2)、140 448 bp(黄早四),均包含84种编码基因,30种tRNA基因,4种r RNA基因。新组装的4个叶绿体基因组,在基因组大小及所包含的基因种类及数量方面都与叶绿体参考基因组具有较高的相似性,说明粗制线粒体的高通量测序数据可以用来组装叶绿体基因组。叶绿体基因组高度保守,但也存在SNP及InDel,基于不育系与保持系叶绿体DNA(cpDNA)的SNP位点设计特异引物,可用来鉴定区分CMS-C不育胞质与正常胞质。【结论】利用粗制线粒体DNA的高通量测序数据可以完成叶绿体基因组的组装,玉米CMS-C不育系与保持系的叶绿体基因组具有高度的一致性,但也存在一些多态性位点,基于多态性位点成功开发出可区分CMS-C不育胞质与正常胞质的特异标记。     

紫薇属植物叶绿体基因组研究进展

紫薇属植物在全世界约有 60 种,已培育出 500 多个品种。紫薇属植物是优良的园林观赏植物, 除花色艳丽夺目外,还有净化空气的特性,在园林和园艺应用中具有重要价值。目前,由于紫薇属植物频繁的 种间杂交和基因渐渗,形态分类系统已不能满足紫薇属植物的遗传多样性研究。随着现代生物技术发展,基于 叶绿体基因组的研究在物种亲缘关系研究中表现出明显优势,从叶绿体基因组中发掘的 DNA 片段及简单重复序 列常用作植物分子标记,便于植物的鉴定与分类。迄今已完成 22 种紫薇属植物叶绿体基因组的全序列测定, 利用贝叶斯法分析了 22 种紫薇属植物的系统发育关系,得出 22 种紫薇属植物为单系群;并归纳得出紫薇属 叶绿体基因组大小约为 150 kbp,最大的 Lagerstroemia venusta 长度为 152 521 bp,最小的 L. guilinensis 长度为 151 968 bp,其中 LSC 区长度为 83~84 kbp,SSC 区长度约 16 kbp,IR 区约 25 kbp,叶绿体基因组中 GC 含量为 37.6%~37.7%。综述了紫薇属植物叶绿体基因组的结构及其在 DNA 条形码、简单重复序列与系统发育中的应用, 旨在了解紫薇属植物叶绿体全基因组的研究现状,提高对紫薇属在园林应用中的评价认识,为该属基于叶绿体 基因组的种质资源鉴定、遗传和系统发育等方面深入研究奠定基础,为培育更多应用于园林观光的紫薇属植物 提供数据支撑。     

甘蔗的起源和进化

文章通过总结近20年来有关甘蔗属分类、地理起源、栽培起源与传播、甘蔗进化以及甘蔗基因组进化等的研究结果,全面分析了甘蔗的起源和进化进程,分析结果支持Brandes于1958年提出的假说。建议今后应对割手密种、大茎野生种和热带种之间的相互关系展开深入研究,以便更全面了解甘蔗的起源和进化;同时应开展甘蔗全基因组测序研究、甘蔗叶绿体基因组学研究及构建甘蔗遗传连锁图谱,全面深入剖析甘蔗的遗传结构和驯化进程。     

水稻叶绿体表达体系的建立及抗PPT叶绿体转化植株的获得

 【目的】建立外源基因在水稻叶绿体中的表达体系。【方法】通过分析已公布的水稻叶绿体基因组全序列及其基因分布特点，选择ndhF与trnL的基因间序列作为除草剂PPT抗性基因bar定点整合的位点。以水稻叶绿体基因组DNA为模板，采用PCR方法克隆了两个适于水稻叶绿体基因组遗传转化的同源片段，构建了含水稻叶绿体16S高效表达启动子、外源基因bar、psbA基因的3′序列（终止子）以及两个同源片段的水稻叶绿体特异表达载体pRB。【结果】采用基因枪法转化水稻品种中花10号幼穗诱导的愈伤组织，并再生植株，获得转化体后代种子。对转化植株进行的分子检测结果表明，外源基因bar 可能被整合到水稻叶绿体基因组中。后代种子的遗传学分析显示，外源基因bar可正常表达并遗传。【结论】利用所建立的水稻叶绿体外源基因表达体系，外源基因bar既可在水稻叶绿体基因组中正常表达，还可作为转化体筛选时的除草剂抗性选择标记。     

叶绿体基因组微卫星标记(cpSSR)研究进展

随着测序技术的发展,叶绿体基因组微卫星标记(cpSSRs)的开发和应用越来越普遍。该研究介绍了叶绿体基因组分子标记的特点、用途、开发方法以及已开发的cpSSRs所具有的特点。随着cpSSRs开发成本的降低及研究技术的成熟,新的cpSSRs不断开发,将会有越来越多的叶绿体基因组SSR分子标记应用于群体遗传学、生物地理学和杂交育种的研究。其在野生植物进化过程研究中所具备的潜力在不久的将来将被充分认识和利用。     

甘蔗近缘属种23S-4．5S-5SrDNA内转录间隔区序列分析

【目的】探讨叶绿体23S-4．5S-5SrDNA内转录间隔区序列在甘蔗近缘属种系统进化中的应用,为深入研究甘蔗近缘属种系统进化提供参考。【方法】以14个甘蔗近缘属种材料为研究对象,测序分析其23S-4．5S-5SrDNA内转录间隔区序列,并应用BLAST分析其在禾本科中的变异情况。【结果】23S-4．5S-5SrDNA内转录间隔区序列在14个甘蔗近缘属种材料间的同源性为100％,属于高度保守区域,但在禾本科各亚科间表现出-定的变异,且在各亚科中都存在其特异的变异位点。【结论】23S-4．5S-5SrDNA内转录间隔区序列在甘蔗近缘属种间属于高度保守的区域,不适合用于甘蔗近缘属种间系统进化的分析,但可为禾本科亚科系统进化的分析提供有用的信息。     

甘蔗近缘属种23S-4.5S-5S rDNA内转录间隔区序列分析

【目的】探讨叶绿体23S-4.5S-5S rDNA内转录间隔区序列在甘蔗近缘属种系统进化中的应用,为深入研究甘蔗近缘属种系统进化提供参考。【方法】以14个甘蔗近缘属种材料为研究对象,测序分析其23S-4.5S-5S rDNA内转录间隔区序列,并应用BLAST分析其在禾本科中的变异情况。【结果】23S-4.5S-5S rDNA内转录间隔区序列在14个甘蔗近缘属种材料间的同源性为100%,属于高度保守区域,但在禾本科各亚科间表现出一定的变异,且在各亚科中都存在其特异的变异位点。【结论】23S-4.5S-5S rDNA内转录间隔区序列在甘蔗近缘属种间属于高度保守的区域,不适合用于甘蔗近缘属种间系统进化的分析,但可为禾本科亚科系统进化的分析提供有用的信息。     

甘蔗ATP结合蛋白基因克隆及其干旱胁迫下的表达特性分析

[目的]克隆甘蔗ATP结合蛋白基因,分析其基本生物学信息及在干旱胁迫下的表达特性,为ATP结合蛋白的功能研究提供理论依据.[方法]从乙烯诱导甘蔗差异表达转录组和水分胁迫下甘蔗cDNA文库中获取ATP结合蛋白基因序列,设计其引物进行RT-PCR扩增,利用生物信息学软件进行序列分析及其蛋白结构和功能预测,并采用实时荧光定量PCR(qPCR)检测干旱胁迫处理下的甘蔗ATP结合蛋白基因的表达情况.[结果]克隆获得的甘蔗ATP结合蛋白基因全长2145bp,编码714个氨基酸,其蛋白分子质量为79.430kD,理论等电点(pI)为9.33,不稳定系数为44.38;甘蔗ATP结合蛋白与玉米ATP结合蛋白的核苷酸序列及其推导氨基酸系列同源性最高,均达93%.甘蔗ATP结合蛋白主要由无规则卷曲(42.02%)、α螺旋(25.63%)和延伸链(22.27%)结构组成,具有蛋白激酶催化结构域、ATP结合位点、核苷酸结合位点(NBS)、糖基化位点、激酶磷酸化结合位点及核定位信号等;甘蔗ATP结合蛋白可能主要定位在细胞核、叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中,起中间代谢调控作用,或参与转录调控、免疫应答、胁迫应答及信号转导等生物反应.qPCR检测结果显示,在干旱胁迫7d后,甘蔗ATP结合蛋白基因的表达量明显下调,约为对照的30%,恢复正常供水(复水)后,表达量回升.[结论]甘蔗ATP结合蛋白基因表达受干旱胁迫诱导,可能参与甘蔗对干旱逆境胁迫响应的代谢调控.     

甘蔗属及近缘属8种植物叶片下表皮的解剖研究

 观察了云南省8种甘蔗属及近缘属植物叶片下表皮的解剖结构,结果表明,肋区中刺细胞的有无、行数及形状,硅细胞及栓细胞的排列方式,表皮上附属物的类型,气孔的行数及副卫细胞的形状等在不同种之间是不同的,这些解剖特征可作为外部器官形态分类的补充,也可为甘蔗杂交育种提供解剖学依据。     

甘蔗属及近缘属8种植物叶片下表皮的解剖研究

观察了云南省 8种甘蔗属及近缘属植物叶片下表皮的解剖结构 ,结果表明 ,肋区中刺细胞的有无、行数及形状 ,硅细胞及栓细胞的排列方式 ,表皮上附属物的类型 ,气孔的行数及副卫细胞的形状等在不同种之间是不同的 ,这些解剖特征可作为外部器官形态分类的补充 ,也可为甘蔗杂交育种提供解剖学依据     

甘蓝型油菜叶绿体多顺反子单交换表达载体构建

[目的]为研究质体定位的乙酰辅酶A羧化酶转化叶绿体奠定基础。[方法]根据GeneBank上的甘蓝型油菜的叶绿体DNA序列设计1对引物,通过PCR扩增获得与甘蓝型油菜叶绿体基因组可发生同源重组的DNA片段,构建甘蓝型油菜叶绿体多顺反子单交换表达载体,并在大肠杆菌中通过平板定性分析和Western印迹对所构建载体上的表达盒进行功能鉴定。[结果]以甘蓝型油菜的叶片叶绿体基因组DNA为模板进行PCR扩增,获得4 357 bp的DNA片段,包含2个开放阅读框RbcL和β-CT。成功构建了甘蓝型油菜叶绿体多顺反子单交换表达载体pHBM720,而且同一多顺反子的3个基因均在大肠杆菌中得到表达。[结论]该叶绿体多顺反子单交换表达载体具有较强的通用性与安全性,比双交换表达载体更具优越性。