人参属植物叶绿体基因组特征及其进化的研究

【目的】对人参属（Panax L.）物种叶绿体基因组特征及其系统发育进行研究,为我国人参属资源的遗传学研究和开发利用提供理论依据。【方法】基于14种人参属植物叶绿体基因组序列,利用生物信息学软件,对叶绿体基因组特征、序列重复、结构变异、基因进化和系统发育进行分析。【结果】人参属物种叶绿体基因组均为典型的四分体结构,包含114个unique基因。长重复序列主要为回文重复和正向重复,30～39 bp的重复序列最多,SSR大多为A/T重复,单核苷酸重复是最丰富的类型。人参属叶绿体基因组未发生基因重排,反向重复区（IR）与单拷贝区边界高度保守,鉴定的12个核苷酸高度可变热点中7个位于大单拷贝（LSC）区,5个位于小单拷贝（SSC）区。根据dN/dS比率,发现功能未知基因clpP、ycf1和ycf2受正选择作用。系统发育分析显示,屏边三七和三叶参位于基部支系,四倍体人参和西洋参与其他二倍体物种聚在不同支系,三七、竹节参和越南参则亲缘关系较近。【结论】人参属叶绿体基因组基因数目和顺序一致,基因组结构保守,重复序列数目和类型存在差异,单拷贝区核苷酸多态性高于IR区,正选择基因可能与物种的生态适应性有...     

贝母属植物叶绿体基因组结构与系统发育的关系

贝母属植物形态相似,难以区分。通过对叶绿体基因组进行分析,可以为贝母属植物的系统发育、分子鉴定和开发利用提供理论依据。我们基于已发表的贝母属物种的叶绿体基因组序列,利用相关生物信息学方法对其叶绿体基因组进行分析。结果显示,贝母属29个物种叶绿体基因组大小在151058～152434 bp。基因数量为128～133个,r RNA编码基因数目稳定,蛋白质编码基因和t RNA编码基因存在差异。四分区分析发现,IRb/SSC边界存在明显差异。串联重复和单核苷酸重复含量最丰富。共线性分析未检测到基因重排,其叶绿体基因组高度保守。基于叶绿体基因组的系统发育分析表明,贝母属植物分为4个主要分支。对贝母叶绿体基因组进行核苷酸多态性分析,发现IR比单拷贝区更保守,非编码区的突变频率比编码区高。     

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。     

蒿属植物叶绿体基因组特征及进化

蒿属植物具有重要的药用和经济价值,开展蒿属物种叶绿体基因组研究,为我国蒿属植物的分类鉴定和资源利用提供借鉴。基于29个蒿属物种叶绿体基因组序列,采用REPuter、MISA、DNASP和IQ-TREE等生物信息学软件,比较叶绿体基因组特征、序列重复和结构变异,并对蒿属物种系统发育进行分析。结果表明,蒿属叶绿体基因组均由大单拷贝(LSC)区、小单拷贝(SSC)区和1对反向重复(IRs)区构成,基因组序列长度150 858～151 318 bp, GC含量相近。所有蒿属叶绿体基因组均注释到114个unique基因,包含80个蛋白编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因。蒿属叶绿体基因组长重复序列主要由正向重复和回文重复构成,长度30～49 bp。简单重复序列(SSR)主要由A/T碱基构成,其中单碱基重复最多,其次为四碱基重复。RSCU(相对同义密码子使用度)值大于1的30个高频密码子中,13个以A结尾,16个以T结尾。蒿属植物叶绿体基因组结构高度相似,未检测到基因重排或倒置事件。检测到11个核苷酸变异值P_i>0.007的高变区,其中8个位于LSC区,3个位...     

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。     

柳叶芹叶绿体基因组组装与序列特征

以2020年5月31日采自黑龙江省伊春市的柳叶芹(Czernaevia laevigata turcz.)为试验材料,利用十六烷基三甲基溴化铵法(CTAB)提取基因组DNA,采用Illumina NovaSeq平台进行高通量测序,得到柳叶芹完整的叶绿体基因组序列,分析柳叶芹叶绿体基因组组装、序列特征、系统发育。结果表明：柳叶芹叶绿体基因组总长度146 161 bp,包括1个大单拷贝区长度为93 538 bp、1个小单拷贝区长度为17 779 bp,由2个反向重复序列分别分隔,每个反向重复序列为17 422 bp。对柳叶芹叶绿体全基因组共鉴定出133个基因。系统发育分析表明,柳叶芹与疏叶当归有密切的亲缘关系。柳叶芹的叶绿体基因组序列,为研究伞形科其他植物提供了较为详细、完善的资料,为该物种鉴定以及群体和个体水平的遗传差异分析提供了新的方法。     

濒危植物峨眉凤仙花叶绿体基因组分析

【目的】对峨眉凤仙花（Impatiens omeiana Hook.f.）叶绿体基因组的结构特征及系统发育进行研究，为其资源保护及开发利用提供理论依据。【方法】基于峨眉凤仙花叶绿体基因组序列，利用生物信息学软件，对叶绿体基因组进行组装、注释、基因特征、序列重复和系统发育分析。【结果】峨眉凤仙花完整的叶绿体基因组长度为152 527bp，共有130个基因，包括86个蛋白质编码基因、8个rRNA基因和36个tRNA基因，GC含量为37%，且具有保守的四分体结构，包括大单拷贝区、小单拷贝区各1个和2个相同的反向重复区域，其长度分别为83 150、17 903、25 737 bp，其中13个基因有1个内含子，2个基因有2个内含子。特征分析表明：峨眉凤仙花叶绿体全基因组中共检测到76个SSR序列，且多以A/T单核苷酸序列为主，其长度为10～91 bp；检测到50 842个密码子，其中以亮氨酸（Leu）最多，色氨酸（Tyr）最少；密码子偏好性分析显示33个RSCU≥1的密码子多数以A/U结尾。通过邻接法（NJ）构建系统发育树发现，峨眉凤仙花与贵州凤仙花亲缘关系最近，均属于棒凤仙花亚属植物。【结论】...     

基于高通量测序组装‘赤霞珠’叶绿体基因组及其特征分析

【目的】以欧亚种葡萄‘赤霞珠’(Cabernet Sauvignon)为试材,建立适于葡萄属(Vitis)植物完整叶绿体基因组组装及其特征分析的方法,为研究葡萄属植物的进化和系统发育提供方法指导。【方法】采用Illumina Hi Seq PE150双末端测序策略对其全基因组DNA建库测序,建库类型为350 bp DNA小片段文库,测序深度为10倍。以已发表的拟南芥(Arabidopsis thaliana)和欧亚种葡萄‘黑比诺’(Pinot Noir)的叶绿体基因组序列为参考,通过BLASTN比对提取葡萄叶绿体基因组序列,并用SOAPdenovo软件进行组装,得到‘赤霞珠’完整的叶绿体基因组并对其进行特征分析。【结果】基于高通量Illumina测序,共获得5.2 G的全基因组原始数据,其中,葡萄叶绿体基因组序列为0.42 G,约占全基因组序列的8%。用抽提出来的葡萄叶绿体基因组序列成功组装出‘赤霞珠’完整叶绿体基因组。特征分析表明,叶绿体基因组序列全长160 676 bp,包括大单拷贝区(large single copy,LSC)、小单拷贝区(small single copy,SSC)和2个反向重复序列(inverted repeat,IRA和IRB),长度分别为89 134、19 072和26 235 bp,具有典型被子植物叶绿体基因组环状四分体结构;共注释得到154个基因,包括99个蛋白编码基因、47个t RNA基因和8个r RNA基因;其叶绿体基因组的GC含量为37.43%;共检测到37个串联重复序列(tandem repeat sequence)和53个散在重复序列(dispersed repeats),其中,绝大部分串联重复序列的长度为11—42 bp,占叶绿体基因组序列的0.83%,而散在重复序列占叶绿体基因组序列的5.33%;此外,还检测到50个简单重复序列(simple sequence repeats,SSR)位点,大部分的SSRs均由A或T组成,同时SSRs在‘赤霞珠’叶绿体基因组上的分布是不均匀的,LSC区段含有39个SSRs,而SSC区段和IR区段分别仅有7个和4个SSRs;与蛋白编码基因对应的密码子偏好使用A/T碱基,并且编码亮氨酸(L)的密码子使用频率最高,而编码半胱氨酸(C)的密码子使用频率最低;系统发育分析表明‘赤霞珠’与‘黑比诺’、夏葡萄(Vitis aestivalis)、圆叶葡萄(Vitis rotundifolia)亲缘关系最近。【结论】基于全基因组高通量测序的方法,成功组装出‘赤霞珠’完整的叶绿体基因组,与传统获得叶绿体基因组的方法相比,此方法不需要分离叶绿体和提取cpDNA,缩短了试验时间、降低了劳动强度,并且极大地提高了试验的可行性。‘赤霞珠’叶绿体基因组的基因结构、基因顺序、GC含量和密码子偏好性均与典型的被子植物叶绿体基因组类似。     

肖蒲桃叶绿体基因组结构特征及系统发育关系

【目的】肖蒲桃(Syzygium acuminatissimum)是我国南方高价值的硬木树种之一,适宜作为行道树或园景树。研究揭示肖蒲桃叶绿体基因组的结构特征及系统发育关系,对蒲桃属甚至桃金娘科的分类学研究具有重要意义。【方法】使用CTAB法提取肖蒲桃叶片基因组DNA。利用Illumina HiSeq X TEN平台进行高通量测序,在SPAdes v3.13.0上组装叶绿体基因组,并通过GeSeq注释肖蒲桃的完整叶绿体基因组。分析了肖蒲桃叶绿体基因组的结构特征、序列特征及系统发育关系。【结果】肖蒲桃完整的叶绿体基因组长度为159 352 bp,共有109个基因,包括78个蛋白质编码基因、27个tRNA基因和4个r RNA基因,其中17个基因具有内含子;检测到21 379个密码子,其中丝氨酸密码子最丰富、蛋氨酸密码子最匮乏;检测到47个RNA可编辑位点,其中ndhB基因最多(10个);检测到48个长片段重复序列,其中18个正向重复、6个反向重复、22个回文重复和2个互补重复;检测到230个简单重复序列,其中绝大多数为单核苷酸(205个)。基因组比较分析结果表明,4个蒲桃属植物的IR边界有较小差异,核苷酸多样性高于0.015的区间有7个。系统发育分析结果表明,肖蒲桃与丁香蒲桃(S. aromaticum)关系密切。【结论】研究结果有助于开展后续的蒲桃属系统发育研究和物种鉴定工作。     

‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组特征及密码子使用偏好性分析

【目的】分析‘怀玉山’高山马铃薯Solanum tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’叶绿体基因组特征及密码子使用偏好性,为开展‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子优化、叶绿体基因组改造,探索物种进化和增加外源基因表达等研究提供参考依据和理论基础。【方法】采用高通量测序技术对‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组进行测序,并利用生物信息学分析软件对组装和注释后的叶绿体基因组进行结构、基因组成及密码子偏好性分析。【结果】‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组大小为155 296 bp,为经典的4段式结构。大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和反向重复区(IR)长度分别为85 737、18 373、25 593 bp,总鸟嘌呤和胞嘧啶所占的比例(GC比例)为37.88%,共注释出133个基因,包含87个编码区(CDS)基因、37个tRNA基因、8个rRNA基因和1个假基因。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组中共检测到38个简单重复序列位点(SSR位点,36个单碱基重复和2个双碱基重复)和32个长重复序列(16个正向重复和16个回文重复)。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿...     

濒危红树植物莲叶桐叶绿体基因组及其系统进化

对濒危红树植物莲叶桐的叶绿体基因组及与其近缘物种之间的叶绿体基因组进行比较进化分析。结果表明,莲叶桐叶绿体基因组序列全长157 762 bp,包括1个大的单拷贝区(LSC)86 641 bp,1个小的单拷贝区(SSC)18 603 bp和2个反转重复区(IRs)26 260 bp。叶绿体基因组的GC含量为39.3%,含有133个基因,包括83个蛋白质编码基因、42个tRNA基因和8个rRNA基因。17个基因位于反转重复区,包括6个蛋白编码基因、7个tRNA和4个rRNA。登录号为:MG838431。通过最大似然法对16个双子叶植物（包含5个樟科植物、2个腊梅科植物、3个毛茛科植物、1个小檗科植物、1个报春花科植物、1个蔷薇科植物、1个桑科植物,1个安息香科植物以及莲叶桐）和1个外类群植物水稻的叶绿体基因组序列进行聚类分析,莲叶桐与樟科和腊梅科植物聚为一支。聚类结果将莲叶桐科划入樟目,更支持《中国高等植物图鉴》中分类方式。随后对莲叶桐及其近缘种叶绿体基因组进行了共线性分析,进一步验证了其叶绿体基因组之间具有高度保守性。研究结果为莲叶桐的系统进化提供了新的证据。     

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...     

无刺龙舌兰叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

【目的】分析无刺龙舌兰叶绿体基因组特征及密码子偏好性,为无刺龙舌兰叶绿体相关基因的表达、修饰和物种进化研究提供参考。【方法】对无刺龙舌兰的叶绿体基因组进行测序、组装和注释,分析密码子偏好性及其影响因素,并通过建立高、低基因表达库,筛选出最优密码子。基于20个已发表的龙舌兰科植物叶绿体基因组数据构建系统发育进化树。【结果】无刺龙舌兰叶绿体基因组总长157579 bp,大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和2个反向重复区(IRa和IRb)的长度分别为85940、18279和26680 bp,GC含量为37.8%,包括135个基因(85个蛋白编码基因、38个tRNA基因、8个rRNA基因及4个未知功能的基因),从中筛选出51个长度大于300 bp的基因编码区(CDS)序列,其有效密码子数(ENC)均大于41.0。GC1、GC2、GC3和GC3s含量分别为46.75%、39.61%、29.19%和26.06%,说明密码子第3位多以A/T结尾。GCall与GC1、GC2和GC3均呈极显著相关(P<0.01,下同),但GC3与GC1和GC2均无显著相关性(P>0.05,下同),表明密码子第1、2位的碱基组成相似,但与第3位的相似度不高。选择和突变是导致叶绿体基因组密码子偏好性的主要因素。筛选出14个多以A/U结尾的最优密码子。无刺龙舌兰与克雷塔罗丝兰和西地格丝兰为姊妹关系,自荐值为100%。【结论】无刺龙舌兰叶绿体基因组为保守的四分体结构,叶绿体基因组密码子偏好性较弱,主要受选择和突变等多因素影响。基于植物叶绿体基因组构建系统发育进化树在物种的分类鉴定及确定各物种间系统发育关系的研究中是一种准确、可靠的方法。     

青花菜线粒体基因组组装与序列特征分析

为更好地从分子水平了解青花菜,对青花菜进行线粒体基因组组装,并对其序列特征进行分析。青花菜线粒体基因组大小为219 964 bp,GC含量为45.25%。线粒体基因组注释到61个基因,包括33个编码蛋白基因,23个tRNA基因,3个rRNA基因和2个假基因。其中8个基因的核苷酸多样性较高;24个基因无核酸多样性。变异数量最多的基因是 rrn26、 rrn18和 atp1,其变异数量分别为326、277和136。密码子偏好性分析结果显示RSCU值>1的密码子有29个,大多以A/U碱基结尾,表明其密码子更偏向于A/U结尾。基因组序列中共检测到345个重复序列,包括170个正向重复序列和175个回文重复序列。青花菜与花椰菜的线粒体基因组具有极好的共线性,且基因的位置基本一致。青花菜线粒体和叶绿体基因组中共检测到22条同源片段。同源片段总长度为13 355 bp,平均607 bp。     

唐古特扁桃叶绿体基因组特征分析

采用Illumina HiSeq X Ten平台测序和生物信息法对唐古特扁桃叶绿体基因组序列特征进行解析。结果表明：唐古特扁桃叶绿体基因组为四分体式结构,完整叶绿体基因组序列全长158 166 bp,G+C含量 36.8%,注释131个基因,即86个蛋白编码基因、8个rRNA基因和37个tRNA基因;其叶绿体基因组共有52 711个编码密码子,有33种类型是偏好密码子;唐古特扁桃叶绿体基因组中SSR位点有33个,串联重复有 13个;SSR中未检测到三核苷酸重复;SSR分布不平衡,大多位于基因间区IGS和LSC区域;基于叶绿体全基因组序列构建系统发育建树,发现唐古特扁桃与同亚属的榆叶梅、野樱桃以及李属毛樱桃亲缘关系较近。     

三桠苦叶绿体基因组结构和序列特征分析

为了探明岭南地区特色中药三桠苦的叶绿体基因组结构和序列特征,以三桠苦叶片为材料,采用试剂盒法提取DNA和构建测序文库,利用Novaseq平台进行高通量测序,再结合生物信息学手段进行序列拼接、注释和特征分析。结果显示：三桠苦叶绿体基因组为158 992 bp的环状四分体分子,含有134个基因;在三桠苦叶绿体基因组内找到86个简单重复序列,主要是A/T单核苷酸重复;检测到26 907个密码子,以A/T结尾的密码子有着更高的使用频次;序列比较分析表明,三桠苦与同科植物在非编码区存在更明显的序列变异;系统进化树揭示不同来源的三桠苦亲缘关系最近,但在基因组成和碱基序列上呈现出多样性。