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(xué)農(nóng)學(xué)院/牡丹學(xué)院, 河南 洛陽 471023;2.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)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(dāng)做傳統(tǒng)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(zhì)合成相關(guān)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(zhì)資源應(yīng)用、園林觀賞植物開發(fā)和培育新品種提供依據(jù)。

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?zhèn)溆?。用試劑?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(xiàn)蒙古扁桃(A.mongolica)葉綠體基因組物理圖譜[2,14,22]。在NCBI網(wǎng)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(jù)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(shù)基于1 000次自舉值(Bootstrap value)抽樣重復(fù)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進化樹[2,14,22,24]。

2 結(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)的基因順時針轉(zhuǎn)錄,圈外則逆時針轉(zhuǎn)錄,不同功能的基因以不同的顏色表示,圈內(nèi)較暗的灰色對應(yīng)于GC含量,較淺的灰色對應(yīng)于AT含量。

圖2 蒙古扁桃的葉綠體基因組序列(cpDNA)四分體結(jié)構(gòu)

蒙古扁桃葉綠體基因組均包含LSC、SSC、IRA和IRB共4個區(qū)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(qū)LSC、淺白色的反向重復(fù)區(qū)IRA、綠色的小單拷貝區(qū)SSC以及淺白色的反向重復(fù)區(qū)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(jié)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(yōu)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(fā)生點突變、DNA片段插入或丟失以及重復(fù)事件,基因組也會出現(xiàn)重排現(xiàn)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(jié)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(guān)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(shù)目總數(shù)最多,有52 817個;MH727485總共有52 691個密碼子;MG602256密碼子總數(shù)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(jié)果表明,蒙古扁桃3個cpDNA序列的密碼子類型和數(shù)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(shù)目最多,編碼精氨酸CGC數(shù)目最少;編碼亮氨酸密碼子數(shù)目最多,編碼色氨酸密碼子類型只有一種UGG,數(shù)目最少。如MG602256序列中UUU有2 380個,是數(shù)目最多的密碼子;CGC有271個,是數(shù)目最少的密碼子;編碼亮氨酸的密碼子數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)目最多,有2 303個;而CGC類型的密碼子最少,只有248個;UAA數(shù)目為1 226個,高于UGA和UAG的數(shù)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(jié)尾的占絕大多數(shù),表明編碼蒙古扁桃的密碼子具有一定偏好,偏向以A/T結(jié)尾,如MG602256中密碼子RSCU>1的類型有33個,其中以A/T堿基結(jié)尾的有28個,占總數(shù)目的84.85%。

圖4 蒙古扁桃cpDNA密碼子的數(shù)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(tǒng)演化地位分析

蒙古扁桃在扁桃亞屬物種之間其生物學(xué)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(yōu)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(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)進化樹(圖6)。結(jié)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(guān)系較近,與長柄扁桃和榆葉梅關(guān)系較遠。

圖6 基于cpDNA序列的蒙古扁桃Geneious NJ系統(tǒng)發(fā)育樹

本研究結(jié)果與其他學(xué)者[4,25]結(jié)論一致。結(jié)合形態(tài)學(xué)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(tǒng)發(fā)育關(guān)系,認為榆葉梅與長柄扁桃親緣關(guān)系較近,可能為同一起源?；谌旧w核型并結(jié)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(guān)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(guān)系較近。

3 結(jié)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(shù)獲得蒙古扁桃cpDNA全長158 039 bp,生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),NCBI數(shù)據(jù)庫中蒙古扁桃三條全葉綠體基因組結(jié)構(gòu)均為經(jīng)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(qū)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(shù)目與排列情況相同,8個rRNA基因都在IR區(qū)內(nèi)。采用蒙古扁桃和其他物種共18條全葉綠體基因組序列數(shù)據(jù),以鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)蒙古扁桃與扁桃在同亞屬中物種之間親緣關(guān)系較近?；谌~綠體全基因組的建樹情況與邱蓉等[4]、董山平等[25]研究結(jié)果有相同之處。蒙古扁桃具有多種應(yīng)用價值和開發(fā)潛力,是我國扁桃亞屬中的瀕危物種之一,應(yīng)加強對其生物多樣性和遺傳多樣性的保護。