蒙古扁桃叶绿体基因组比较

段春燕, 段义忠

(1.河南科技大学农学院/牡丹学院, 河南 洛阳 471023;2.榆林学院生命科学学院, 陕西 榆林 719000)

蒙古扁桃(Amygdalusmongolica)是我国重点保护植物和濒危植物[1-3],中文名山樱桃、土豆子,蒙名乌兰-布衣勒斯,为蔷薇科李亚科桃属扁桃亚属植物,多年生灌木,耐寒抗旱,分布于中国贺兰山麓和蒙古高原,为有潜力的木本油料植物和园林观赏植物,含有苦杏仁苷,在其分布生长点被当做传统中药材[4-9]。植物细胞中的叶绿体为光合作用场所,主要存在于植物绿色部位,叶绿体基因组中有光合作用、同化或未知作用以及能量代谢、蛋白质合成相关的基因[10-13]。蒙古扁桃属于蔷薇科,蔷薇科和其他种子植物的叶绿体基因组已有报道[14-22]。叶绿体基因组即cpDNA (complete chloroplast genome),其序列在揭示物种形成、物种之间进化情况方面具有重要参考价值[23]。本研究通过二代测序,从序列基本特征、序列分化等方面对蒙古扁桃的叶绿体基因组进行对比分析,以期为濒危物种蒙古扁桃种质资源应用、园林观赏植物开发和培育新品种提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

采集蒙古扁桃新鲜幼嫩叶片后装入密封袋用硅胶迅速干燥,在-20 ℃冰箱中保存备用。用试剂盒(德国QIAGEN)提取蒙古扁桃全基因组DNA,检测合格送样,在Illumina HiSeq XTMTen平台建库测序。

1.2 分析方法

运用DOGMA、CPGAVAS和在线软件OGDRAW组装注释并绘制呈现蒙古扁桃(A.mongolica)叶绿体基因组物理图谱[2,14,22]。在NCBI网站注册得到蒙古扁桃叶绿体基因登陆号码。运用Mauve、BioEdit、Geneious、Mega软件对NCBI中蒙古扁桃叶绿体基因组的组成、序列基本特征和序列分化情况进行分析;依据蒙古扁桃和从NCBI上下载的其近缘种共18个叶绿体基因组序列,采用MEGA与Geneious软件用邻接法(Neighbor-joiningmethod,NJ)选择Kimura-2参数基于1 000次自举值(Bootstrap value)抽样重复构建系统发育进化树[2,14,22,24]。

2 结果与分析

2.1 蒙古扁桃cpDNA基本特征分析

通过二代测序获得蒙古扁桃叶绿体基因组并获得注册号MG602256。对NCBI中3个蒙古扁桃叶绿体基因组基本特征对比研究,蒙古扁桃叶绿体基因组物理图谱见图1,图2为叶绿体基因线性结构分段分析。表1为叶绿体基因组序列基本特征对比情况。

注:圈内的基因顺时针转录,圈外则逆时针转录,不同功能的基因以不同的颜色表示,圈内较暗的灰色对应于GC含量,较浅的灰色对应于AT含量。

图2 蒙古扁桃的叶绿体基因组序列(cpDNA)四分体结构

蒙古扁桃叶绿体基因组均包含LSC、SSC、IRA和IRB共4个区段(图1和图2)。图2中的HQ336405为桃(Amygdaluspersica)的叶绿体基因组登陆号,KX499858为Malustrilobata叶绿体全基因组登陆号。从图2可观察到,蒙古扁桃的叶绿体基因组包括绿色的大单拷贝区LSC、浅白色的反向重复区IRA、绿色的小单拷贝区SSC以及浅白色的反向重复区IRB。Malustrilobata的叶绿体基因总长度在5个基因组中最大,大于桃与蒙古扁桃。3个蒙古扁桃叶绿体基因组长度(黑色)与桃相近。3条蒙古扁桃cpDNA序列基本特征总结如表1所示。蒙古扁桃叶绿体基因组总长度MG602256

2.2 蒙古扁桃cpDNA共线性分析

被子植物目前在全球是占有优势的植物类群,虽然其叶绿体基因组高度保守,但在长期进化过程中,往往由于序列发生点突变、DNA片段插入或丢失以及重复事件,基因组也会出现重排现象,选择桃叶绿体基因组作为参考序列,将蒙古扁桃叶绿体全基因组进行Mauve比对(图3),结果表明,蒙古扁桃全叶绿体基因组3个序列中均未检测到大片段的基因重排,具有十分良好的共线性关系。

图3 蒙古扁桃的叶绿体基因组共线性分析

2.3 蒙古扁桃 cpDNA 密码子分析

3个序列中KY073235密码子数目总数最多,有52 817个;MH727485总共有52 691个密码子;MG602256密码子总数目最少,有52 679个。分析蒙古扁桃cpDNA序列中密码子使用情况和RSCU值(Relative Synonymous Codon Usage)。结果表明,蒙古扁桃3个cpDNA序列的密码子类型和数目、RSCU情况在图4与图5中分别有相同的变化弯曲,具有物种一致性。第一,MG602256、KY073235和MH727485三个序列中均是编码苯丙氨酸的UUU数目最多,编码精氨酸CGC数目最少;编码亮氨酸密码子数目最多,编码色氨酸密码子类型只有一种UGG,数目最少。如MG602256序列中UUU有2 380个,是数目最多的密码子;CGC有271个,是数目最少的密码子;编码亮氨酸的密码子数目最多,达到5 171个,占全部密码子总量的9.81%;编码色氨酸的密码子有663个,数目最少,仅占总量的1.26%;第二,MG602256、KY073235和MH727485三个序列中均是UAA为最常用的终止密码子,其数量高于UAG和UGA;如KY073235共有52 817个密码子,在所有密码子中,UUU最多,有2 296个;而CGC最少,只有257个;UAA是最常用的终止密码子,其数量为1 319个,高于UAG(760个)和UGA(993个)。MH727485共有52 691个密码子,在所有密码子中,同样是UUU数目最多,有2 303个;而CGC类型的密码子最少,只有248个;UAA数目为1 226个,高于UGA和UAG的数量。第三,MG602256、KY073235和MH727485三个序列中均是密码子RSCU>1的类型中以A/T碱基结尾的占绝大多数,表明编码蒙古扁桃的密码子具有一定偏好,偏向以A/T结尾,如MG602256中密码子RSCU>1的类型有33个,其中以A/T碱基结尾的有28个,占总数目的84.85%。

图4 蒙古扁桃cpDNA密码子的数目对比

图5 蒙古扁桃cpDNA密码子的RSCU值对比

2.4 蒙古扁桃系统演化地位分析

蒙古扁桃在扁桃亚属物种之间其生物学性状特征十分明显,多年生灌木,高1～2 m,枝条多分枝且伸展铺平,小枝顶端有明显枝刺[2-4]。蒙古扁桃是有潜力的具有观赏价值的优良木本油料植物。本研究选取NCBI中的蒙古扁桃cpDNA序列,基于已公布的其他物种的叶绿体全基因组数据构建系统进化树(图6)。结果展示进化树分为两大部分:以外类群KX25567为界,蒙古扁桃MG602257(NC-037850)、KY073235、MH727485与扁桃、野扁桃聚为一大类;长柄扁桃与榆叶梅和西康扁桃聚在一起。通过图5分析,蒙古扁桃与扁桃亲缘关系较近,与长柄扁桃和榆叶梅关系较远。

图6 基于cpDNA序列的蒙古扁桃Geneious NJ系统发育树

本研究结果与其他学者[4,25]结论一致。结合形态学特征,邱蓉等[4]利用ITS序列和叶绿体psbA-tmH序列研究了中国扁桃亚属的植物系统发育关系,认为榆叶梅与长柄扁桃亲缘关系较近,可能为同一起源。基于染色体核型并结合核基因DNA序列,董山平等[25]对桃属植物研究认为,蒙古扁桃、扁桃与桃组的植物有着更近的亲缘关系;榆叶梅与长柄扁桃归成一组,可能有着共同的起源。本研究得出蒙古扁桃在扁桃亚属中与扁桃亲缘关系较近。

3 结论与讨论

蒙古扁桃是濒危的木本油料植物,本研究通过二代测序技术获得蒙古扁桃cpDNA全长158 039 bp,生物信息学数据分析发现,NCBI数据库中蒙古扁桃三条全叶绿体基因组结构均为经典四分体,由1个LSC、2个IR和1个SSC组成。3个蒙古扁桃cpDNA序列长度相差区间在35～412 bp之间。序列长度相差的绝大部分位于LSC。蒙古扁桃所有叶绿体基因组注释基因类型中,37个tRNA基因以及8个rRNA基因数目与排列情况相同,8个rRNA基因都在IR区内。采用蒙古扁桃和其他物种共18条全叶绿体基因组序列数据,以邻接法构建系统发育树,发现蒙古扁桃与扁桃在同亚属中物种之间亲缘关系较近。基于叶绿体全基因组的建树情况与邱蓉等[4]、董山平等[25]研究结果有相同之处。蒙古扁桃具有多种应用价值和开发潜力,是我国扁桃亚属中的濒危物种之一,应加强对其生物多样性和遗传多样性的保护。