芍药花色调控基因的密码子使用模式及其影响因素分析

【目的】芍药花色的优劣影响其观赏价值和商业价值,研究芍药花色调控基因的密码子使用偏好性和密码子使用模式的影响因素,为芍药花色调控基因在m RNA翻译、转基因设计、新基因表达与功能预测以及分子生物进化研究提供参考。【方法】根据前期芍药花色嵌合体品种‘金辉’转录组测序筛选的6 345个芍药花色调控基因,并根据CDS序列特征和大于300 bp原则进行过滤后最终获得的2 234个基因序列作为研究对象,利用Mobyle软件计算GC含量、第1与2位密码子的平均GC含量(GC12)、第3位密码子的GC含量(GC3s)、有效密码子数ENC、密码子适应指数CAI、相对同义密码子使用度RSCU等密码子偏性指标,其次进行中性绘图(GC12 vs.GC3)、ENC-GC3s绘图以及PR2(Parity Rule 2)绘图分析,并运用多元统计分析方法探讨突变压力和选择作用对密码子使用模式的影响程度,最后以5%CAI值作为高、低表达样本组,计算这两个样本组的同义密码子相对使用度,利用卡方检验Chi-square test分析两组之间的显著性差异来确定最优密码子。【结果】芍药花色相关基因的密码子GC3s含量为46.37%,大部分基因GC含量主要分布在30%—55%;中性绘图分析表明GC3s与GC12呈极显著的正相关(R2=0.202,P0.01);ENC-GC3s绘图表明大部分基因分布在标准曲线周围,也有一部分基因分布在标准曲线下方较远的位置,同时大部分基因(ENCexp-ENCobs)/ENCexp比值集中分布在0.0—0.4;PR2绘图分析显示密码子第三位T的使用频率高于A,C使用频率高于G,表明嘌呤(A和G)与嘧啶(T和C)的使用频率并不均衡;对应性分析COA(Correspondence Analysis)表明,第一轴上显示了38.09%的差异,其他3个轴分别为18.42%、15.09%、14.59%,表明芍药花色调控基因的密码子使用模式评价以第一轴(Axis 1)为主;突变压力和选择作用分析发现,第一主轴与GC3s、CAI的相关系数均达到极显著正相关(R2=0.736,P0.01;R2=0.286,P0.01);利用△RSCU和卡方显著性检验的方法,确定了21个为芍药花色调控相关基因的最优密码子,其中18个以G或C结尾,仅CGU、GGU等2个密码子以U结尾。【结论】芍药花色调控基因的最优密码子多数以G/C结尾,并且密码子使用模式主要受到碱基差异(R2=0.736)和基因表达水平(R2=0.286)共同作用的影响,其中碱基差异占主导因素。本研究了解了芍药花色调控基因的密码子使用模式情况,为通过密码子改造开展芍药花色遗传改良以及分子进化研究提供了一定的理论依据。

Analysis of Codon Usage Pattern of Paeonia lactiflora Genes Regulating Flower Color and Its Influence Factors