2023-03-06
期刊：《biology》
影響因子：5.168
近日，廣東藥科大學在生物學領域的《biology》發表新研究成果！本研究對車前草科下的11個屬下的41個葉綠體基因組進行了比較分析，發現該科物種在基因組結構和基因含量方面具有高度保守性；同時基于基因樹和物種樹分析發現，其聚類結構有差異，表明利用單一或者多個葉綠體DNA進行車前草科系統發育的局限性。本研究結果為車前草科植物的屬間關系提供了一些新的認識，為今后的系統發育和分類學研究奠定了基礎。
研究背景 車前草科約90個屬、1900個種，形態多樣，其包括一年生或者多年生草本植物、也包含灌木或者水生植物。前人根據ITs、ETs、以及某些基因構建進化樹，為車前草科的系統發育關系提供了一些思路。但是這個存在某些物種在系統發育樹中其置信值較低、甚至是分辨率較低的局限性，故無法很好有效的區分這些物種。因此，為了闡明車前草科植物在部落水平上的系統發育關系，有必要在廣泛取樣和整合更多基因或基因組序列數據的基礎上重建一個可靠的系統發育。隨著NGS技術的發展，葉綠體基因組更容易獲得，且由于葉綠體多為母系遺傳，缺乏重組，且進化速率適中，因為被廣泛用于系統發育分析。本研究中，對車前草科科的6個物種葉綠體基因組進行了測序，并與NCBI中已報道的35個物種進行比較分析，目的是:(1)研究車前草科植物葉綠體的結構和成分變化；(2)重建完整的系統發育；(3)評價車前草科植物葉綠體數據中基因樹的一致性和沖突程度，揭示單段或多段葉綠體DNA序列系統發育分析的局限性。
研究材料與方法 1、實驗材料 車前草科下的6個物種進行高通量測序，并從NCBI中選擇了37個基因組進行后續的比較基因組分析 2、測序平臺 Illumina NovaSeq 3、分析內容 葉綠體基因組denovo測序、Mauve分析、IR收縮與擴張分析、進化樹構建以及葉綠體基因組基本信息比較分析。
研究結果 葉綠體基因組特征 對6個樣本進行高通量測序，得到6,069,200-30,408,958條reads，其中，302,408-5,093,971條reads映射到最終組裝結果上，平均覆蓋范圍為295.979×-4,997.812×。所有新測序的葉綠體被組裝成一個典型的四部分結構，包含一個大的單拷貝(LSC)和一個小的單拷貝(SSC)，由兩個反向重復序列(IRs，包括IRa和IRb)分開。 圖1 6個車前草科葉綠體的基因組圈圖 相比之下，車前草科植物的葉綠體大小為130833 bp (Littorella uniflora)至165045 bp (Plantago asiatica)，它們同樣由一對IRs (IRa和IRb，長度為21404 - 38724 bp)組成，由LSC區(77490 - 85713 bp)和SSC區(4577 - 18447 bp)隔開，總GC含量為37.4% - 39.0%。其中，Littorella uniflora GC含量最低。大多數葉綠體含有相同的114個基因，其中蛋白質編碼基因80個，tRNA基因30個，rRNA基因4個。值得注意的是，Plantago，Littorella uniflora、Veronica polita、Veronica perica、Veronica eriogyne和Angelonia angustifolia的葉綠體中ycf 15基因缺失。此外，Littorella uniflora缺乏ndh基因的功能拷貝(ndhE除外)；Angelonia angustifolia和Scoparia dulcis缺乏inf A基因，而Plantago martima葉綠體中存在一個新的tRNA基因(trnL-CAG)。 表1 部分車前草科基因組特征比較
葉綠體結構變異 比較了車前草科11個屬下的15個不同種葉綠體基因組的IRs/LSC和IRs/SSC連接，確定了IR區的擴張/收縮。總體而言，車前草科植物的LSC/IRb、IRb/SSC、SSC/IRa和IRa/LSC的邊界相對保守，rps19、ndhF、ycf 1和trnH基因分別位于上述連接位點。共線性分析也顯示，大多數屬的車前草植物的葉綠體基因排列具有保守性。在SSC和IRs中有明顯的IR擴增和重排，這導致了連接和基因排列的差異。此外， Littorella uniflora的 LSC、SSC和IRs的大小也有所減小，尤其是ndh基因的缺失，導致IRb/SSC連接發生變化。 圖2 IR區收縮與擴張分析 圖3 共線性（Mauve法）分析
系統發育樹 基于連接的數據集，ML和BI系統發育都生成了相同的樹拓撲，幾乎所有節點都表現出高支持值，得到車前草科6個不同的支系：(I) Gratioleae+Angelonieae， (II) Russelieae+ Cheloneae， (III) Antirrhineae ，(IV) Callitricheae，(V) Sibthorpieae， (VI) Plantagineae + Digitalideae, Veroniceae + Hemiphragmeae。其中，Gratioleae與Angelonieae聚在Plantaginaceae的姐妹進化樹(Clade I)底部。在剩下的部落中，Russelieae和Cheloneae形成了早期分化的第二分支，先后與第三分支(Antirrhineae)、第四分支(Callitricheae)、第五分支(Sibthorpieae)和第六分支(Plantagineae)形成姐妹，其中Plantagineae與Digitalideae， Veroniceae為Hemiphragmeae的姐妹。 圖4 68個級聯葉綠體PCGs重建車前草科的系統發育 圖5 基于68個葉綠體蛋白編碼基因的車前草科物種樹重建 盡管在Veronica和Penstemon中觀察到的某些關系略有差異，但在ASTRAL中實現的物種樹拓撲結構與級聯分析的結果基本一致，大多數節點的局部后驗概率(LPP)值較高。值得注意的是，Digitalideae + Plantagineae和Russelieae + Cheloneae 節點的支持值相對較低，且Sibthorpieae的位置僅得到適度支持。
基因樹的一致性與沖突性 PhyParts分析揭示了物種樹中每個節點的一致、沖突或無信息的基因樹的數量，每個基因樹的節點上設置的bootstrap support (BS)閾值為70。從餅圖中可以看出，盡管有一定數量的基因表現出一致性，但大多數葉綠體基因在系統發育的節點上基本上是無信息的。此外，物種樹節點存在不同程度的基因樹沖突。值得注意的是，一些沖突基因數量接近或大于一致基因數量的節點在物種樹中的支持度似乎相對較低。Digitalideae和Plantagineae的節點表現出較多的基因樹沖突，有2個一致基因和5個沖突基因；而Sibthorpieae的節點表現出較多的基因樹沖突；Cheloneae和Russelieae節點僅有5個一致基因，而有13個沖突基因。 圖6 68個葉綠體基因的一致基因和沖突基因分析
結論 本研究豐富了車前草科植物葉綠體的基因組資源，為研究車前草科植物葉綠體結構和基因含量提供了基礎信息。雖然Globularieae沒有被納入此次分析，但此次分析的車前草科下的11個屬，為研究車前草科的屬間關系提供了一些新的見解。此外，為了進一步闡明車前草科各屬之間的關系，未來的研究將受益于從葉綠體基因組中對所有屬進行更廣泛的分類采樣，以及使用更多來自核和線粒體基因組的數據進行分析。
本研究的葉綠體基因組denovo測序與分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。如需進一步討論，歡迎發郵件或者致電我們喲（郵箱地址：[email protected]，聯系電話：021-80118168-8617）！
文章索引：
Xie P, Tang L, Luo Y, et al. Plastid Phylogenomic Insights into the Inter-Tribal Relationships of Plantaginaceae[J]. Biology, 2023, 12(2): 263.
