4种金花茶叶绿体基因组比较分析_丁祥青.pdf
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1、收稿日期:20220602修回日期:20220920基金项目:福建省林业科技项目(2021FKJ24);福建省科技创新领军人才专项(118/KC16006A)作者简介:丁祥青(1997),男研究方向:园林植物与应用Email:303596814 qqcom 通信作者邹双全(1963),男,研究员研究方向:森林培育,药用观赏植物栽培Email:zou fafueducn4 种金花茶叶绿体基因组比较分析丁祥青1,2,李文芳3,吴丽君3,陈义堂3,王子墨3,郑宏3,郑航4,邹双全2,5(1福建农林大学园林学院,福建 福州 350002;2福建农林大学林学院,福建 福州 350002;3福建省洋口国有
2、林场,福建 顺昌 353200;4福州植物园,福建 福州 350012;5自然生物资源保育利用福建省高校工程技术研究中心,福建 福州 353002)摘要:利用全基因组重测序数据组装得到了夏石金花茶等 4 种金花茶的叶绿体全基因组序列,并进行了注释和比较分析结果表明,4 种金花茶植物叶绿体基因组序列高度相似,约为 156 657157 046 bp,均预测注释 134 个基因,包含 89 个蛋白编码基因、8 个 rNA 和 37 个 tNA;金花茶植物的叶绿体基因组在结构和进化上具有保守性,它们具有相似的密码子偏好性且均未发生大面积的倒位和基因重排;通过叶绿体基因组的比较分析和核苷酸多态性分析发
3、掘了 rps16 和 ycf1 等高变异片段,这些片段可作为金花茶植物的分子标记;基于金花茶叶绿体基因组数据构建的系统进化树具有较高的支持度,说明金花茶叶绿体基因组序列的公布对其系统发育的研究具有重要意义开放科学(资源服务)标识码(OSID)关键词:金花茶植物;叶绿体基因组;密码子偏好性;多态性分析;分子标记;SS;系统发育分析中图分类号:S71846文献标识码:A文章编号:1671-5470(2023)03-0300-09DOI:1013323/jcnkijfafu(natsci)202303003Comparative analysis of chloroplast genome of 4
4、 kinds of yellow CamelliaDING Xiangqing1,2,LI Wenfang3,WU Lijun3,CHEN Yitang3,WANG Zimo3,ZHENG Hong3,ZHENG Hang4,ZOU Shuangquan2,5(1College of Landscape Architecture,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou,Fujian 350002,China;2ForestryCollege,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzh
5、ou,Fujian 350002,China;3Fujian Yangkou National ForestFarm,Shunchang,Fujian 353200,China;4Fuzhou Botanical Garden,Fuzhou,Fujian 350012,China;5FujianColleges and Universities Engineering esearch Institute of Conservation and Utilizationof Natural Bioresources,Fuzhou,Fujian 353002,China)Abstract:Chlor
6、oplast genomes of 4 species of yellow Camellia including Camellia xiashiensis were assembled from whole-genome re-sequencing data for annotation and comparative analysis The results showed that the 4 species of yellow Camellia had highly similarchloroplast genome sequences with lengths ranging from
7、156 657157 046 bp,which were predicted to annotate 134 genes,inclu-ding 89 protein-coding genes,8 rNAs and 37 tNAs Comparative analysis revealed that the chloroplast genomes of yellow Camelli-a were highly conservative in structure and evolution,and they had similar codon preferences without extensi
8、ve gene inversion andrearrangement Polymorphism analysis revealed highly variable fragments such as rps16 and ycf1 in the chloroplast genomes of yellowCamellia,which can be applied as molecular markers The phylogenetic tree constructed based on the chloroplast genome data had ahigh degree of accurac
9、y,indicating that the publication of the chloroplast genome was important for the phylogenic study of yellowCamelliaKey words:yellow Camellia;chloroplast genome;codon preference;polymorphism analysis;molecular marker;simple sequencerepeats;phylogenetic analysis叶绿体起源于内共生体,因其富含叶绿素而得名1 叶绿体基因组(chloropla
10、st DNA,cpDNA)的 2 条单链是全转录链,即叶绿体基因组可在任意位置发生转录起始和终止,有研究表明,叶绿体基因组存在基因重叠现象23 通常高等植物叶绿体基因组高度保守,由 4 部分组成,大单拷贝区(large single copy re-福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷 第 3 期Journal of Fujian Agriculture and Forestry University(Natural Science Edition)2023 年 5 月gion,LSC)、小单拷贝区(small single copy region,SSC)、反向重复区 A(invert
11、ed repeat region a,Ia)和反向重复区 B(inverted repeat region b,Ib),2 个 I 区被 LSC 和 SSC 隔开它们长度相等,方向相反4 但也有少数植物存在变异,主要表现为 I 区的丢失、收缩与扩张,序列方向改变5 此外,在寄生植物的叶绿体基因组中,有的植物丢失了与光合作用有关的基因,有的植物则完全丧失了叶绿体基因组6 目前,叶绿体基因组在开发分子标记、重建系统发育关系以及基因工程育种等领域应用广泛金花茶植物隶属于山茶科(Theaceae)山茶属(Camellia),是山茶花中唯一花色金黄的类型,观赏价值高,在植物界颇负盛名现今已发掘的金花茶植
12、物有 42 种和 5 个变种7,它们之间表型相似,难以通过生物学形态将其有效区分因此,发掘能有效区分不同金花茶的分子标记对金花茶植物的研究具有重要意义山茶和金花茶的杂交已被证实是培育黄色山茶花的有效途径,但其缺点是操作难、周期长和见效慢等8 随着基因与花色形成机制的不断深入研究,基因工程育种有望成为黄色山茶花培育的重要手段9 随着测序技术的进步10,叶绿体基因组测序的相关研究越来越多,截至 2022 年 1 月,NCBI 已公布6733 个叶绿体全基因组序列(https:/wwwncbinlmnihgov/genome/browse#!/eukaryotes/)目前,金花茶植物遗传学和基因组学
13、的研究较少本试验基于全基因组重测序技术首次报道了簇蕊金花茶(Camelliafascicularis)、夏石金花茶(Camellia xiashiensis)、柠檬黄金花茶(Camellia limonia)、小果金花茶(Camellia ni-tidissima var microcarpa)的叶绿体全基因组序列,并对其进行注释和比较分析,以期了解金花茶植物的分子生物学特性,保护优良的种质资源,为金花茶植物的群体遗传学和系统发育研究提供依据1材料与方法11文库构建和测序试验材料簇蕊金花茶、夏石金花茶、柠檬黄金花茶、小果金花茶均于 2020 年采集于福建省洋口国有林场(117485418E,2
14、6473016N),其种质资源均引种于广西南宁金花茶公园采用改良的十六烷基三甲溴化铵法(cetylrimethylammonium bromide,CTAB)从金花茶植物嫩叶中提取 DNA,用琼脂糖凝胶电泳和分光光度计检测 DNA 浓度和质量,将高质量的 DNA 通过 Covaris 仪超声波处理,经过末端修复、DNA 片段 3加 A、连接接头处理后,选取 270 bp 的 DNA 片段进行 PC 扩增,对扩增产物进行引物二聚体去除后,用于构建文库最后将质量检测合格的文库在 Illumina 平台进行测序12序列拼接及注释SOAPnuke165(https:/githubcom/BGIflex
15、lab/SOAPnuke)用于过滤原始数据中的低质量序列,过滤参数为-n 005-l 20-q 04-i-Q 2-G-M 2-A 05-d,每个物种获得约 20 Gb 的 clean data利用 GetOrganelle软件11 对 clean data 进行自动化组装,然后用 Bandage 软件可视化去除多余 contig 并编辑成环状,环状序列即为金花茶植物叶绿体全基因组序列以凹脉金花茶(Camellia impressinervis)的叶绿体基因组序列(NC022461)为参考12,利用 Plastid Genome Annotator 软件13 对金花茶叶绿体基因组序列进行预测及基
16、因注释利用 Geneious 软件可视化注释结果并人工检查编码基因的起始密码子和终止密码子,得到金花茶叶绿体基因组的最终注释结果(GenBank 文件)经组装注释的金花茶叶绿体基因组 fasta 文件和 GenBank文件已提交至 NCBI GenBank 数据库(OM238071、OM238074、OM868265、OM238072),利用网站(https:/irscopeshinyappsio/chloroplot/)在线可视化簇蕊金花茶叶绿体基因组13密码子偏好性与共线性分析提取叶绿体基因组的蛋白编码序列(coding sequence,CDS),使用 CodonW 计算密码子的使用频率
17、和相对同义密码子使用度(relative synonymous codon usage,SCU),然后用 perl 脚本绘制直方图,采用TBtools 软件绘制密码子使用分布热图利用 Geneious 软件的 mauve 插件进行叶绿体基因组共线性可视化分析14分子标记开发在线(http:/genomelblgov/vista/mvista/submitshtml)进行叶绿体基因组比对可视化分析,设置 shuf-fle-LAGAN 模式使用 DnaSP 软件计算 4 种金花茶植物叶绿体全基因组序列的核苷酸多态性,设置步长为200 bp,窗口长为 600 bp通过网站(https:/webbla
18、stipkgaterslebende/misa/)进行简单重复序列(simple103第 3 期丁祥青等:4 种金花茶叶绿体基因组的比较分析sequence repeat,SS)识别,将单核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸和六核苷酸的最小重复数分别设置为 10、5、4、3、3 和 3 个15系统发育关系从 NCBI GenBank 数据库下载 14 个金花茶叶绿体基因组序列显脉金花茶(Camellia euphlebia)OL405564、抱茎金花茶(Camellia tienii)OL435568、薄叶金花茶(Camellia chrysanthoides)MZ618349、崇左
19、金花茶(Camellia chuongtsoensis)MT663341、贵州金花茶(Camellia huana)KY626040、凹脉金花茶 NC022461、东兴金花茶(Camellia indochinensis var Tunghinensis)OK135162、龙州金花茶(Camellia lungzhouensis)MN579509、小花金花茶(Camellia micrantha)MZ680503、富宁金花茶(Camellia mingii)NC046699、金花茶(Camellia nitidissima)NC039645、金花茶(Camellia petelotii)NC0
20、24661、顶生金花茶(Camellia pingguoensisvar terminalis)OK149109、毛瓣金花茶(Camellia pubipetala)NC054365 采用 MAFFT 软件进行多序列比对,利用网站(http:/wwwphyloorg/)的 AxML-HPC2 on XSEDE 构建系统发育树,用 Bootstrap method 进行自展值检验,设置1 000 次重复由于不同叶绿体基因组区域的分子进化速率不同,本试验分别利用了叶绿体基因组、LSC、Ia、SSC 序列构建系统发育树2结果与分析21结构与特征基于全基因组重测序数据组装,注释了 4 种金花茶植物的叶
21、绿体全基因组,金花茶植物的叶绿体基因组为典型的四分体结构(图 1)4 种金花茶植物叶绿体基因组均预测注释 134 个基因,包含 89 个蛋白编码基因、8 个 rNA 和 37 个 tNA其中,小果金花茶叶绿体全基因组序列最长,为 157 046 bp,柠檬黄金花茶叶绿体全基因组序列最短,为 156 657 bp(表 1),叶绿体基因组长度差异较小结果表明,4 种金花茶植物LSC、SSC、I、rNA、tNA 和蛋白编码基因长度均相似,长度差异主要发生于 LSC 的基因间隔区,在 atpH-atpL 相较于小果金花茶、柠檬黄金花茶丢失了 1 个 400 bp 的片段,相较于夏石金花茶丢失了 1 个
22、 398 bp的片段,而柠檬黄金花茶在 trnGUU-ndhF 比夏石金花茶多 1 个 77 bp 的片段GC 含量为 3732%3733%,其中,I GC 含量(4295%4299%)最高,其次为 LSC(3531%3535%)和 SSC(3056%3062%)I 区GC 含量高,能使其序列稳定且高度保守22密码子偏好性提取金花茶叶绿体基因组 CDS 序列进行密码子偏好性分析(图 2),结果表明,4 种金花茶植物具有相似的密码子偏好性其中,使用频率较高的为 ATT、AAA 和 GAA,单物种使用频率均达 900 次以上,使用频率较高的第 3 位密码子具有较高的 A/T 偏好性,大约有一半的密
23、码子较少被使用通常使用 SCU 衡量密码子使用偏好性,除色氨酸(Trp)和蛋氨酸(Met)外,其他大部分氨基酸表现为高密码子偏好性,叶绿体基因组氨基酸的高密码子偏好性和密码子的第 3 位高 A/T 偏好性在高等植物中十分普遍,说明金花茶叶绿体基因组进化具有较高的保守性终止密码子偏好使用 TAA,其次为 TAG23共线性为了评估 4 种金花茶叶绿体基因组的差异程度,利用 Geneious 软件的 mauve 插件对叶绿体基因组进行共线性可视化分析结果表明,4 种金花茶叶绿体基因组序列高度相似,未检测到大片段的倒位或基因重排现象24差异性选用检测基因重排和倒位的全局比对模式(Shuffle-LAG
24、AN),以簇蕊金花茶叶绿体基因组序列为参考,对金花茶叶绿体基因组序列进行可视化比对分析(图 3)结果表明,叶绿体基因组具有高度相似性,I区和编码区的分化水平分别低于 SC 区和非编码区,存在较高差异的序列为 rps16、ycf1、ycf2 和 trnE-UUC-psbD核苷酸多样性分析表明(图 4),共检测出 269 个变异位点,其中,简约性信息位点 22 个Pi 为 0 001,筛选到 6 个核苷酸多样性较高的位点,分别为 rps16-trnQ-UUG、petN-psbM、accD-ycf4、rpl16、trnN-GUU-ndhF 和 ycf1,其中,有 4 个位点位于 LSC,这些位点的发
25、掘对于金花茶植物分子标记的开发具有重要意义203福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷图 1簇蕊金花茶叶绿体全基因组图谱Fig1Chloroplast genome map of Cfascicularis表 1叶绿体基因组特征统计Table 1Statistics on basic features of chloroplast genomes品种长度/bp(GC 含量/%)LSC 长度/bp(GC 含量/%)SSC 长度/bp(GC 含量/%)I 长度/bp(GC 含量/%)基因数量个蛋白编码基因/bprNAbptNAbp柠檬黄金花茶156 657(3733)86 271(3535)1
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