2023-05-22
《agronomy》
影響因子：3.949
近日，杭州師范大學在農業和生物科學領域的《agronomy》發表新研究成果！本研究獲得Physalis macrophysa (PMA)和Physalis ixocarpa (PIX)的葉綠體全基因組序列，并與8個酸漿屬的葉綠體基因組進行了比較。本研究對兩種酸漿屬的葉綠體基因組進行分析，將有助于進一步研究酸漿屬的物種鑒定、系統發育、進化以及種質資源開發潛力。 研究背景 酸漿屬是茄屬植物中最大的一個屬，由大約90種組成，其中大多數具有重要的經濟、藥用或觀賞價值的經濟、藥用或觀賞價值。傳統上，physaleaceae的物種是根據形態特征進行分類的。然而，該部落成員的形態特征相對相似，這為該部落幾個屬之間的系統發育關系鑒定帶來了極大的困難。有研究結果表明，葉綠體基因組可以提供大量的遺傳信息，可用于植物物種鑒定、DNA標記的開發以及葉綠體基因組水平上的分類和系統發育關系的解決。本研究選取了形態特征存在明顯差異且生境不同的PMA和PIX進行研究，以擴大Physalis屬質體基因組資源，并以此為基礎研究Physalis屬葉綠體基因組變異。 研究材料與方法 1.實驗材料：Physalis macrophysa (PMA)和Physalis ixocarpa (PIX) 2.測序平臺：Illumina 3.分析內容：葉綠體基因組denovo測序、密碼子偏好性分析、重復序列分析、mVISTA分析、Ka/Ks分析、IR收縮與擴張分析、進化樹構建等。 研究結果 葉綠體基因組特征 PMA的cp基因組大小為156,735 bp，PIX的cp基因組大小為156,871 bp。兩個cp基因組呈現典型的四部結構，包括一個LSC區，一個SSC區和一對IR區。兩個cp基因組包含相同的132個基因，編碼87個蛋白質、8個rRNA和37個tRNA。對所有基因進行注釋，并將其分為光合作用基因、自復制相關基因、功能未知基因和其他基因。 圖1：PMA和PIX基因組圈圖 密碼子偏好性分析 蛋白質編碼基因在PMA和PIX的cp基因組中分別存在23,931個密碼子。有趣的是，亮氨酸(Leu)是PMA中最豐富的氨基酸，其次是異亮氨酸(Ile)；而絲氨酸(Ser)是PIX中最豐富的氨基酸，其次是亮氨酸(Leu)；兩個物種中豐度最低的氨基酸是蛋氨酸。AUG是首選密碼子，在PMA和PIX中編碼蛋氨酸(Met)的RSCU分別為1.91和2.0，有31個(48.4%)和29個(45.3%)的密碼子存在密碼子偏向(RSCU > 1)。 圖2：密碼子偏好性分析 重復序列分析 PMA共檢測到35個重復序列，其中正向重復19個、回文重復13個、反向重復3個，總共比PIX少5個。大多數重復序列分布在LSC區，其次是IRs區和SSC區。此外，位于蛋白質編碼基因重復序列占多數，位于基因間間隔序列的重復序列占少數。PMA和PIX共發現61個和60個SSRs，檢測到的SSRs包括單、二、三和四核苷酸重復序列，其中位于LSC區域的SSRs最多，其次是IR區域、SSC區域。此外，大多數SSRs存在于基因間間隔區，其次是PCGs和tRNA基因。 圖3：PMA和PIX葉綠體基因組中重復序列和SSRs類型 比較基因組分析 將PMA和PIX葉綠體基因組的LSC/IR和SSC/IR與其他8個近緣種進行比較，結果發現rps19基因遠離PPE和PPR的LSC/IRb邊界或缺失，而rpl2基因跨越LSC/IRb邊界，在PPE和PPR中分別向LSC區域延伸717 bp和737 bp。ycf1基因存在于所有cp基因組的IRa/SSC邊界，ndhF基因存在于所有10個cp基因組的SSC區域。trnH基因在大多數物種中位于靠近IRa/LSC邊界的LSC區域，而在PPE和PPR中缺失。此外，mVISTA分析結果顯示PMA和PIX的cp基因組相對于其他8個cp基因組序列具有較高的一致性和基因順序保守性。但10個Physalis葉綠體基因組之間仍存在一定的序列多樣性。 圖4：IR區收縮與擴張分析和mVISTA分析 在10個Physalis物種中，Pi值從0到0.024不等，平均值為0.00235。此次共檢測到9個高度分化區域，核苷酸多樣性(Pi)值范圍為0.00725 ~ 0.024。其中6個區域位于LSC區，2個區域位于SSC區，1個區域位于IRa區。Ka/Ks結果表明有20個基因的Ka/Ks值小于1，且PMA和PPR之間大部分基因的Ka/Ks值相對較高。 圖5：Pi多樣性分析以及選擇壓力分析 系統發育樹分析顯示，所有物種形成3個主要聚類，分別對應3個亞族。在ML樹中，聚類I包括來自Iochrominae亞族6屬20種，其中Iochroma屬10種，Dunalia屬5種，Eriolarynx屬2種，Acnistus屬、Saracha屬和Vassobia屬各1種。PMA，PIX、PAN、PPU、PMI、PPH、PPE、PCH、PPR和PAF分為聚類II。聚類III包括來自Withania亞族的Withania coagulans、Withania adpressa和Withania riebeckii 3種。結果表明，PMA、PIX和PPH三者親緣關系較近，PAF與其他Physalis種親緣關系較遠。 圖6：系統發育樹分析 結論 在本研究中首次測序并發表了PMA和PIX的葉綠體基因組序列，并與另外8個Physalis物種的cp基因組進行了比較。結果發現PMA和PIX的cp基因組在基因組結構、基因含量和序列上與其他8種酸漿屬相似；此外還發現了一些核苷酸分化的熱點可作為后續Physalis物種鑒定和系統發育分析的潛在DNA標記；對Physaleae族的系統發育研究首次在cp基因組水平提供了新的見解。本研究不僅提供了兩個新的酸漿屬cp基因組，而且可以為酸漿屬的物種鑒定、系統發育分析和資源保護提供重要的參考數據。
