蒙古扁桃葉綠體基因組比較

段春燕, 段義忠

(1.河南科技大學農學院/牡丹學院, 河南 洛陽 471023;2.榆林學院生命科學學院, 陜西 榆林 719000)

蒙古扁桃(Amygdalusmongolica)是我國重點保護植物和瀕危植物[1-3],中文名山櫻桃、土豆子,蒙名烏蘭-布衣勒斯,為薔薇科李亞科桃屬扁桃亞屬植物,多年生灌木,耐寒抗旱,分布于中國賀蘭山麓和蒙古高原,為有潛力的木本油料植物和園林觀賞植物,含有苦杏仁苷,在其分布生長點被當做傳統中藥材[4-9]。植物細胞中的葉綠體為光合作用場所,主要存在于植物綠色部位,葉綠體基因組中有光合作用、同化或未知作用以及能量代謝、蛋白質合成相關的基因[10-13]。蒙古扁桃屬于薔薇科,薔薇科和其他種子植物的葉綠體基因組已有報道[14-22]。葉綠體基因組即cpDNA (complete chloroplast genome),其序列在揭示物種形成、物種之間進化情況方面具有重要參考價值[23]。本研究通過二代測序,從序列基本特征、序列分化等方面對蒙古扁桃的葉綠體基因組進行對比分析,以期為瀕危物種蒙古扁桃種質資源應用、園林觀賞植物開發和培育新品種提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

采集蒙古扁桃新鮮幼嫩葉片后裝入密封袋用硅膠迅速干燥,在-20 ℃冰箱中保存備用。用試劑盒(德國QIAGEN)提取蒙古扁桃全基因組DNA,檢測合格送樣,在Illumina HiSeq XTMTen平臺建庫測序。

1.2 分析方法

運用DOGMA、CPGAVAS和在線軟件OGDRAW組裝注釋并繪制呈現蒙古扁桃(A.mongolica)葉綠體基因組物理圖譜[2,14,22]。在NCBI網站注冊得到蒙古扁桃葉綠體基因登陸號碼。運用Mauve、BioEdit、Geneious、Mega軟件對NCBI中蒙古扁桃葉綠體基因組的組成、序列基本特征和序列分化情況進行分析;依據蒙古扁桃和從NCBI上下載的其近緣種共18個葉綠體基因組序列,采用MEGA與Geneious軟件用鄰接法(Neighbor-joiningmethod,NJ)選擇Kimura-2參數基于1 000次自舉值(Bootstrap value)抽樣重復構建系統發育進化樹[2,14,22,24]。

2 結果與分析

2.1 蒙古扁桃cpDNA基本特征分析

通過二代測序獲得蒙古扁桃葉綠體基因組并獲得注冊號MG602256。對NCBI中3個蒙古扁桃葉綠體基因組基本特征對比研究,蒙古扁桃葉綠體基因組物理圖譜見圖1,圖2為葉綠體基因線性結構分段分析。表1為葉綠體基因組序列基本特征對比情況。

注:圈內的基因順時針轉錄,圈外則逆時針轉錄,不同功能的基因以不同的顏色表示,圈內較暗的灰色對應于GC含量,較淺的灰色對應于AT含量。

圖2 蒙古扁桃的葉綠體基因組序列(cpDNA)四分體結構

蒙古扁桃葉綠體基因組均包含LSC、SSC、IRA和IRB共4個區段(圖1和圖2)。圖2中的HQ336405為桃(Amygdaluspersica)的葉綠體基因組登陸號,KX499858為Malustrilobata葉綠體全基因組登陸號。從圖2可觀察到,蒙古扁桃的葉綠體基因組包括綠色的大單拷貝區LSC、淺白色的反向重復區IRA、綠色的小單拷貝區SSC以及淺白色的反向重復區IRB。Malustrilobata的葉綠體基因總長度在5個基因組中最大,大于桃與蒙古扁桃。3個蒙古扁桃葉綠體基因組長度(黑色)與桃相近。3條蒙古扁桃cpDNA序列基本特征總結如表1所示。蒙古扁桃葉綠體基因組總長度MG602256

2.2 蒙古扁桃cpDNA共線性分析

被子植物目前在全球是占有優勢的植物類群,雖然其葉綠體基因組高度保守,但在長期進化過程中,往往由于序列發生點突變、DNA片段插入或丟失以及重復事件,基因組也會出現重排現象,選擇桃葉綠體基因組作為參考序列,將蒙古扁桃葉綠體全基因組進行Mauve比對(圖3),結果表明,蒙古扁桃全葉綠體基因組3個序列中均未檢測到大片段的基因重排,具有十分良好的共線性關系。

圖3 蒙古扁桃的葉綠體基因組共線性分析

2.3 蒙古扁桃 cpDNA 密碼子分析

3個序列中KY073235密碼子數目總數最多,有52 817個;MH727485總共有52 691個密碼子;MG602256密碼子總數目最少,有52 679個。分析蒙古扁桃cpDNA序列中密碼子使用情況和RSCU值(Relative Synonymous Codon Usage)。結果表明,蒙古扁桃3個cpDNA序列的密碼子類型和數目、RSCU情況在圖4與圖5中分別有相同的變化彎曲,具有物種一致性。第一,MG602256、KY073235和MH727485三個序列中均是編碼苯丙氨酸的UUU數目最多,編碼精氨酸CGC數目最少;編碼亮氨酸密碼子數目最多,編碼色氨酸密碼子類型只有一種UGG,數目最少。如MG602256序列中UUU有2 380個,是數目最多的密碼子;CGC有271個,是數目最少的密碼子;編碼亮氨酸的密碼子數目最多,達到5 171個,占全部密碼子總量的9.81%;編碼色氨酸的密碼子有663個,數目最少,僅占總量的1.26%;第二,MG602256、KY073235和MH727485三個序列中均是UAA為最常用的終止密碼子,其數量高于UAG和UGA;如KY073235共有52 817個密碼子,在所有密碼子中,UUU最多,有2 296個;而CGC最少,只有257個;UAA是最常用的終止密碼子,其數量為1 319個,高于UAG(760個)和UGA(993個)。MH727485共有52 691個密碼子,在所有密碼子中,同樣是UUU數目最多,有2 303個;而CGC類型的密碼子最少,只有248個;UAA數目為1 226個,高于UGA和UAG的數量。第三,MG602256、KY073235和MH727485三個序列中均是密碼子RSCU>1的類型中以A/T堿基結尾的占絕大多數,表明編碼蒙古扁桃的密碼子具有一定偏好,偏向以A/T結尾,如MG602256中密碼子RSCU>1的類型有33個,其中以A/T堿基結尾的有28個,占總數目的84.85%。

圖4 蒙古扁桃cpDNA密碼子的數目對比

圖5 蒙古扁桃cpDNA密碼子的RSCU值對比

2.4 蒙古扁桃系統演化地位分析

蒙古扁桃在扁桃亞屬物種之間其生物學性狀特征十分明顯,多年生灌木,高1～2 m,枝條多分枝且伸展鋪平,小枝頂端有明顯枝刺[2-4]。蒙古扁桃是有潛力的具有觀賞價值的優良木本油料植物。本研究選取NCBI中的蒙古扁桃cpDNA序列,基于已公布的其他物種的葉綠體全基因組數據構建系統進化樹(圖6)。結果展示進化樹分為兩大部分:以外類群KX25567為界,蒙古扁桃MG602257(NC-037850)、KY073235、MH727485與扁桃、野扁桃聚為一大類;長柄扁桃與榆葉梅和西康扁桃聚在一起。通過圖5分析,蒙古扁桃與扁桃親緣關系較近,與長柄扁桃和榆葉梅關系較遠。

圖6 基于cpDNA序列的蒙古扁桃Geneious NJ系統發育樹

本研究結果與其他學者[4,25]結論一致。結合形態學特征,邱蓉等[4]利用ITS序列和葉綠體psbA-tmH序列研究了中國扁桃亞屬的植物系統發育關系,認為榆葉梅與長柄扁桃親緣關系較近,可能為同一起源。基于染色體核型并結合核基因DNA序列,董山平等[25]對桃屬植物研究認為,蒙古扁桃、扁桃與桃組的植物有著更近的親緣關系;榆葉梅與長柄扁桃歸成一組,可能有著共同的起源。本研究得出蒙古扁桃在扁桃亞屬中與扁桃親緣關系較近。

3 結論與討論

蒙古扁桃是瀕危的木本油料植物,本研究通過二代測序技術獲得蒙古扁桃cpDNA全長158 039 bp,生物信息學數據分析發現,NCBI數據庫中蒙古扁桃三條全葉綠體基因組結構均為經典四分體,由1個LSC、2個IR和1個SSC組成。3個蒙古扁桃cpDNA序列長度相差區間在35～412 bp之間。序列長度相差的絕大部分位于LSC。蒙古扁桃所有葉綠體基因組注釋基因類型中,37個tRNA基因以及8個rRNA基因數目與排列情況相同,8個rRNA基因都在IR區內。采用蒙古扁桃和其他物種共18條全葉綠體基因組序列數據,以鄰接法構建系統發育樹,發現蒙古扁桃與扁桃在同亞屬中物種之間親緣關系較近。基于葉綠體全基因組的建樹情況與邱蓉等[4]、董山平等[25]研究結果有相同之處。蒙古扁桃具有多種應用價值和開發潛力,是我國扁桃亞屬中的瀕危物種之一,應加強對其生物多樣性和遺傳多樣性的保護。