• 中国中文核心期刊
  • 中国科学引文数据库(CSCD)核心库来源期刊
  • 中国科技论文统计源期刊(CJCR)
  • 第二届国家期刊奖提名奖

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

九叶青花椒叶绿体基因组结构及系统进化分析

刘霞 孙冲 黄勤琴 谢润泸 刘浩文 陈泽雄

引用本文:
Citation:

九叶青花椒叶绿体基因组结构及系统进化分析

    作者简介: 刘霞,博士,副教授。主要研究方向:经济林种质资源开发与利用。电话:19942239287。Email:liuxiavip8@163.com.
    通讯作者: 陈泽雄, chenzexiong1979@163.com
  • 中图分类号: S718.46

Analysis of Complete Chloroplast Genome Sequences and Phylogenetic Evolution of Zanthoxylum armatum ‘Jiuyeqing’

    Corresponding author: CHEN Ze-xiong, chenzexiong1979@163.com
  • CLC number: S718.46

  • 摘要: 目的 揭示九叶青花椒叶绿体基因组的结构特征及其与其他物种的系统进化关系,为花椒属种质资源的鉴定、新品种的培育及品种间的遗传分析提供参考。 方法 使用改良CTAB法提取九叶青花椒叶片总DNA。利用BGISeq-500平台进行高通量测序,SPAdes v3.13.0软件组装叶绿体基因组,通过GeSeq注释九叶青花椒的全叶绿体基因组信息,对其叶绿体基因组序列的结构特征、重复序列、密码子偏好性及系统进化关系进行分析。 结果 九叶青花椒叶绿体基因组为典型的四分体组成结构,全长序列为158 579 bp,编码133个基因;测到19个串联重复序列,49个长片段重复,70个简单重复序列;九叶青花椒叶绿体基因组中的蛋白编码基因共有26 398个密码子(不包括终止密码子),在密码子第三位碱基上有较强的A/T碱基偏好性。 结论 本研究首次组装了九叶青花椒叶绿体基因组全序列,明确了花椒属为单系类群,九叶青花椒与野花椒(Z. simulans)关系密切,这将为花椒的遗传信息、花椒种质资源评价、分子育种、cpSSR分子标记的开发及遗传多样性等研究提供了重要参考。
  • 图 1  九叶青花椒叶绿体基因组图谱

    Figure 1.  Gene map of the chloroplast genome of Z. armatum‘Jiuyeqing’

    图 2  九叶青花椒叶绿体基因组重复序列类型

    Figure 2.  Types of repeat sequences in the chloroplast genome of Z. armatum‘Jiuyeqing’

    图 3  九叶青花椒叶绿体基因组氨基酸RSCU值

    Figure 3.  Amino acid RSCU values of the chloroplast genome of Z. armatum‘Jiuyeqing’

    图 4  基于13种植物全叶绿体基因组序列构建的系统发育树

    Figure 4.  Phylogenetic tree based on complete chloroplast genomes sequences of 13 species

    表 1  叶绿体基因组SSR预测

    Table 1.  Chloroplast genome SSR prediction

    序号
    Number
    重复类型
    Repeat type
    简单重复序列
    SSR
    起始
    Start
    终止
    End
    所在位置
    Position
    1 p1 (T)19 1 771 1 789 IGS
    2 p1 (T)11 2 418 2 428 matK
    3 p1 (A)10 3 085 3 094 matK
    4 p1 (A)10 4 684 4 693 IGS
    5 p1 (A)10 6 287 6 296 IGS
    6 p1 (T)13 6 873 6 885 IGS
    7 c (A)12gacgtacattttatcaaaaattatacttaatagagttgctcaaa
    ggggggaattc(T)12
    7 281 7 359 IGS
    8 p1 (A)14 7 770 7 783 IGS
    9 p1 (T)14 8 334 8 347 IGS
    10 c (A)11(AAT)5 8 717 8 740 IGS
    11 p1 (T)11 9 319 9 329 IGS
    12 p1 (A)13 9 834 9 846 intron
    13 p1 (A)15 13 273 13 287 intron
    14 p1 (A)11 14 122 14 132 IGS
    15 p1 (T)10 16 570 16 579 IGS
    16 p1 (T)11 19 493 19 503 rpoC2
    17 p1 (A)12 23 671 23 682 intron
    18 p1 (T)20 24 067 24 086 intron
    19 p1 (T)10 27 372 27 381 rpoB
    20 p1 (A)18 28 352 28 369 IGS
    21 p1 (C)10 28 617 28 626 IGS
    22 c (T)12caatagaaaaaaagaaagagaaaagagagggattaagatattgtgtgttttgagatactataaaatcaattgcagaaatggagttgctccaaaaaaag(A)10 29 037 29 156 IGS
    23 p1 (A)10 29 784 29 793 IGS
    24 p1 (T)10 31 390 31 399 IGS
    25 p1 (T)10 31 563 31 572 IGS
    26 p1 (T)11 32 418 32 428 IGS
    27 p1 (T)13 33 368 33 380 IGS
    28 p1 (G)11 36 561 36 571 psbC
    29 p1 (T)10 45 777 45 786 intron
    30 p1 (A)12 47 071 47 082 IGS
    31 p1 (T)15 51 184 51 198 IGS
    32 p1 (T)10 52 626 52 635 IGS
    33 p1 (T)10 53 551 53 560 intron
    34 p1 (T)19 56 537 56 555 IGS
    35 p1 (A)12 57 034 57 045 IGS
    36 p1 (T)12 61 599 61 610 IGS
    37 c (T)14cattttttcaaaatattcgagagtttcttttttaatag(A)10 62 628 62 689 IGS
    38 p1 (A)10 65 486 65 495 IGS
    39 p1 (A)10 67 533 67 542 IGS
    40 p1 (A)10 68 248 68 257 IGS
    41 p1 (A)10 68 735 68 744 IGS
    42 p1 (A)11 69 053 69 063 IGS
    43 p1 (T)10 69 446 69 455 IGS
    44 p1 (A)10 72 760 72 769 clpP
    45 p1 (T)10 74 477 74 486 IGS
    46 p1 (T)10 76 170 76 179 IGS
    47 p1 (T)12 83 898 83 909 rpl16
    48 p1 (T)16 85 546 85 561 IGS
    49 p1 (T)11 101 363 101 373 IGS
    50 p1 (A)16 110 363 110 378 IGS
    51 p1 (T)10 110 534 110 543 IGS
    52 c (T)11atttaccattaatggtaaat(A)11 110 781 110 822 IGS
    53 p1 (A)12 112 609 112 620 ycf1
    54 c (A)10ttcttttgctattcatttttcttttgctattcatagttattttgaatctttcccaac
    aactt (A)10
    115 675 115 756 IGS
    55 c (A)17cgtac(T)11 116 867 116 899 IGS
    56 p1 (A)11 117 100 117 110 IGS
    57 p1 (T)12 117 541 117 552 IGS
    58 c (T)10atttaactgaaactgaagagaaggaaaaagacttccttgttcattggctaacgaac(T)12 118 691 118 768 IGS
    59 p1 (A)10 120 421 120 430 IGS
    60 p1 (T)10 122 121 122 130 IGS
    61 p2 (TA)6 122 278 122 289 IGS
    62 p1 (A)13 124 680 124 692 intron
    63 p1 (T)11 126 547 126 557 IGS
    64 p1 (A)10 127 040 127 049 IGS
    65 p1 (T)11 129 898 129 908 ycf1
    66 p1 (T)12 131 740 131 751 ycf1
    67 c (T)11atttaccattaatggtaaat(A)11 133 538 133 579 IGS
    68 p1 (A)10 133 817 133 826 IGS
    69 p1 (T)16 133 982 133 997 IGS
    70 p1 (A)11 142 987 142 997 IGS
    注:p单个SSR类型;p1/p2/p3中数字分别表示构成基序的碱基个数;c复合SSR类型;IGS代表基因内间隔区
      Notes: p is a single SSR type; the numbers in p1/p2/p3 indicate the number of bases constituting the motif, respectively;c is the compound SSR type; IGS represents the intergenic spacer
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨文英, 王 玲, 吕玉奎, 等. 荣昌无刺花椒与九叶青花椒主要品质特征比较分析[J]. 四川林业科技, 2019, 40(6):60-64. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2019.06.011

    [2] 杨林生, 杨 敏, 彭 清, 等. 重庆市九叶青花椒施肥现状评价[J]. 西南大学学报:自然科学版, 2020, 42(3):61-68.

    [3]

    BARKATULLAH, IBRAR M, MUHAMMAD N, et al. Pharmacognostic and phytochemical studies of Zanthoxylum armatum DC[J]. Pakistan Journal of Pharmaceutical Sciences, 2017, 30(2): 429-438.
    [4]

    JULISTIONO H, LESTARI F G, IRYANTO R, et al. Antimycobacterial activity of fruit of Zanthoxylum acanthopodium DC against Mycobacterium smegmatis[J]. Avicenna Journal of Phytomedicine, 2018, 8(5):432-438.
    [5]

    ZHANG W J, WANG Y, GENG Z F, et al. Antifeedant activities of lignans from stem bark of Zanthoxylum armatum DC. against Tribolium castaneum[J]. Molecules, 2018, 23(3): E617. doi: 10.3390/molecules23030617
    [6]

    NANTONGO J S, ODOI J B, ABIGABA G, et al. Variability of phenolic and alkaloid content in different plant parts of Carissa edulis Vahl and Zanthoxylum chalybeum Engl[J]. BMC Research Notes, 2018, 11(1): 125. doi: 10.1186/s13104-018-3238-4
    [7]

    SUN Y L, PARK W G, KWON O W, et al. Molecular identification of Zanthoxylum piperitum by the internal transcribed spacers as targets using newly designed species-specific primers[J]. Journal of Biotechnology, 2010, 150: 505.
    [8]

    APPELHANS M S, REICHELT N, GROPPO M, et al. Phylogeny and biogeography of the pantropical genus Zanthoxylum and its closest relatives in the proto-Rutaceae group (Rutaceae)[J]. Molecular Phylogenetics and Evolution, 2018, 126: 31-44. doi: 10.1016/j.ympev.2018.04.013
    [9] 郑海星, 李周岐, 薛惠丹, 等. 花椒种质资源的RAPD分析[J]. 西北林学院学报, 2011, 26(2):96-100.

    [10]

    FENG S J, YANG T X, LIU Z S, et al. Genetic diversity and relationships of wild and cultivated Zanthoxylum germplasms based on sequence-related amplified polymorphism (SRAP) markers[J]. Genetic Resources and Crop Evolution, 2015, 62(8): 1193-1204. doi: 10.1007/s10722-015-0222-x
    [11]

    CHO K S, YUN B K, YOON Y H, et al. Complete chloroplast genome sequence of tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum) and comparative analysis with common buckwheat (F. esculentum)[J]. PloS ONE, 2015, 10(5): e0125332. doi: 10.1371/journal.pone.0125332
    [12]

    KARLO K, PETR V, ALEXANDER B, et al. Allopolyploid origin of Chenopodium album s. str. (Chenopodiaceae): a molecular and cytogenetic insight[J]. PloS ONE, 2016, 11(8): e0161063. doi: 10.1371/journal.pone.0161063
    [13] 张韵洁, 李德铢. 叶绿体系统发育基因组学的研究进展[J]. 植物分类与资源学报, 201, 33(4): 365-375.

    [14]

    JOSE C C, ROBERTO A, VICTORIA I, et al. A phylogenetic analysis of 34 chloroplast genomes elucidates the relationships between wild and domestic species within the genus Citrus[J]. Molecular Biology and Evolution, 2015, 32(8): 2015-2035. doi: 10.1093/molbev/msv082
    [15]

    CHEN Y X, CHEN Y S, SHI C M, et al. SOAPnuke: a MapReduce acceleration-supported software for integrated quality control and preprocessing of high-throughput sequencing data[J]. Giga Science, 2018, 7(1): 1-6.
    [16]

    LI Y L, WEI A Z. The complete chloroplast genome sequence of an economically important plant, Zanthoxylum bungeanum (Rutaceae)[J]. Conservation Genetics Resources, 2017, 9: 25-27. doi: 10.1007/s12686-016-0609-9
    [17]

    BANKEVICH A, NURS S, ANTIPOV D, et al. SPAdes: a new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing[J]. Journal of Computational Biology, 2012, 19(5): 455-477. doi: 10.1089/cmb.2012.0021
    [18]

    TILLICH M, LEHWARK P, PELLIZZER T, et al. GeSeq-versatile and accurate annotation of organelle genomes[J]. Nucleic Acids Research, 2017, 45(W1): W6-W11. doi: 10.1093/nar/gkx391
    [19]

    BURLAND T G. DNASTAR's Lasergene sequence analysis software[J]. Methods in Molecular Biology (Clifton, N. J. ), 2000, 132: 71-91.
    [20]

    LOHSE M, DRECHSEL O, BOCK R. Organellar Genome DRAW (OGDRAW): a tool for the easy generation of high-quality custom graphical maps of plastid and mitochondrial genomes[J]. Current Genetics, 2007, 52: 267-274. doi: 10.1007/s00294-007-0161-y
    [21]

    SHARP P M, LI W H. Codon usage in regulatory genes in Escherichia coli does not reflect selection for rare codons[J]. Nucleic Acids Research, 1986, 14(19): 7737-7749. doi: 10.1093/nar/14.19.7737
    [22]

    KATOH K, TOH H. Parallelization of the MAFFT multiple sequence alignment program[J]. Bioinformatics, 2010, 26(15): 1899-1900. doi: 10.1093/bioinformatics/btq224
    [23]

    STAMATAKIS A. RAxML-VI-HPC: maximum likelihood-based phylogenetic analyses with thousands of taxa and mixed models[J]. Bioinformatics, 2006, 22(21): 2688-2690. doi: 10.1093/bioinformatics/btl446
    [24]

    RONQUIST F, HUELSENBECK J P. MrBayes 3: bayesian phylogenetic inference under mixed models[J]. Bioinformatics, 2003, 19(12): 1572-1574. doi: 10.1093/bioinformatics/btg180
    [25]

    BARBHUIYA P A, UDDIN A, CHAKRABORTY S. Analysis of compositional properties and codon usage bias of mitochondrial CYB gene in anura, urodela and gymnophiona[J]. Gene, 2020, 751: 144762. doi: 10.1016/j.gene.2020.144762
    [26]

    WICKE S, SCHNEEWEISS G M, DEPAMPHILIS C W, et al. The evolution of the plastid chromosome in land plants: gene content, gene order, gene function[J]. Plant Molecular Biology, 2011, 76(3): 273-297.
    [27] 杨国锋, 苏昆龙, 赵怡然, 等. 蒺藜苜蓿叶绿体密码子偏好性分析[J]. 草业学报, 2015, 24(12):171-179. doi: 10.11686/cyxb2015016

    [28] 丁 锐, 胡 兵, 宗小雁, 等. 杓兰叶绿体基因组密码子偏好性分析[J]. 林业科学研究, 2021, 34(5):177-185. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2021.005.021

    [29] 叶友菊, 倪州献, 白天道, 等. 马尾松叶绿体基因组密码子偏好性分析[J]. 基因组学与应用生物学, 2018, 37(10):4464-4471. doi: 10.13417/j.gab.037.004464

    [30] 胡晓艳, 许艳秋, 韩有志, 等. 酸枣叶绿体基因组密码子使用偏性分析[J]. 森林与环境学报, 2019, 39(6):621-628.

    [31] 尚明照, 刘 方, 华金平, 等. 陆地棉叶绿体基因组密码子使用偏性的分析[J]. 中国农业科学, 2011, 44(2):245-253. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2011.02.003

    [32] 秦 政, 郑永杰, 桂丽静, 等. 樟树叶绿体基因组密码子偏好性分析[J]. 广西植物, 2018, 38(10):1346-1355. doi: 10.11931/guihaia.gxzw201805023

    [33]

    ZENG J M, CHEN X J, WU X F, et al. Genetic diversity analysis of genus Nicotiana based on SSR markers in chloroplast genome and mitochondria genome[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(4): 89-97.
    [34] 邓演文, 刘晓洲, 卓定龙, 等. 肖蒲桃叶绿体基因组结构特征及系统发育关系[J]. 广东农业科学, 2021, 48(6):38-46. doi: 10.16768/j.issn.1004-874X.2021.06.006

    [35]

    DONG W P, XU C, LI W Q, et al. Phylogenetic resolution in Juglans based on complete chloroplast genomes and nuclear DNA sequences[J]. Frontiers in Plant Science, 2017, 8: 1148. doi: 10.3389/fpls.2017.01148
    [36]

    ZHOU T, CHEN C, WEI Y, et al. Comparative transcriptome and chloroplast genome analyses of two related Dipteronia species[J]. Frontiers in Plant Science, 2016, 7: 1512.
    [37]

    FENG S J, LIU Z S, CHEN L, et al. Phylogenetic relationships among cultivated Zanthoxylum species in China based on cpDNA markers[J]. Tree Genet Genomes, 2016, 12(1): 45-53.
  • [1] 江萍黄祥Sulaiman Shah何梦瑶 . 无叶假木贼叶绿体基因组特征系统发育及密码子偏好性分析. 林业科学研究, 2023, 36(4): 109-121. doi: 10.12403/j.1001-1498.20220578
    [2] 冯楚航何彩云王莹曾艳飞张建国 . 叶绿体全基因组序列确定钻天柳在杨柳科中的系统发育位置. 林业科学研究, 2019, 32(2): 73-77. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2019.02.011
    [3] 樊龙江郭兴益马乃训 . 竹类植物与水稻等其它禾本科作物的系统进化关系及基因序列组成的比较. 林业科学研究, 2006, 19(2): 165-169.
    [4] 罗辑周国英朱积余 . 油桐尺蛾核型多角体病毒lef-8基因结构及系统进化分析. 林业科学研究, 2015, 28(2): 230-235.
    [5] 范春节王晖卢孟柱 . 毛竹小RNA高通量测序及病毒分析. 林业科学研究, 2014, 27(3): 335-340.
    [6] 丁锐胡兵宗小雁韩辰阳张丽杰陈旭辉 . 杓兰叶绿体基因组密码子偏好性分析. 林业科学研究, 2021, 34(5): 177-185. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2021.005.021
    [7] 雷淑芸张发起Khan Gulzar王久利刘海瑞陈世龙 . 利用高通量测序分析青藏高原地区青杨的SSR和SNP特征. 林业科学研究, 2015, 28(1): 37-43.
    [8] 饶国栋睢金凯张建国 . 毛白杨α-微管蛋白基因家族的克隆与序列分析. 林业科学研究, 2015, 28(1): 44-49.
    [9] 邓楠史胜青常二梅刘建锋兰倩江泽平 . 基于中麻黄萌发种子转录组的黄酮类化合物合成途径基因的挖掘. 林业科学研究, 2014, 27(6): 758-763.
    [10] 甘四明施季森白嘉雨徐建民 . 林木分子标记研究进展. 林业科学研究, 1998, 11(4): 428-434.
    [11] 钟雅婷邹东霞廖旺姣黄宁罗辑 . 油桐尺蛾肠道菌群与桉树叶片内生菌差异分析. 林业科学研究, 2021, 34(3): 98-107. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2021.03.011
    [12] 张青青董醇波邵秋雨陆莹霞董旋梁宗琦韩燕峰 . 杜仲种子内生微生物群落组成及生态功能分析. 林业科学研究, 2023, 36(2): 50-60. doi: 10.12403/j.1001-1498.20220239
    [13] 李云飞李世明金鑫程书王松波侯军亮刘家劲段肖霞马宏马永鹏张耕耘 . 基于RAD高通量测序探讨中国85种杜鹃花属植物的分类. 林业科学研究, 2019, 32(3): 1-8. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2019.03.001
    [14] 刘彬刘青华周志春徐六一陈雪莲罗柠 . 基于高通量转录组测序筛选马尾松抗松材线虫病相关基因. 林业科学研究, 2019, 32(5): 1-10. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2019.05.001
    [15] 刘丽婷温强黄小春刘琪璟 . 蕨类植物芒萁幼孢子体转录组高通量测序及特征分析. 林业科学研究, 2016, 29(4): 500-507.
    [16] 马婧邓楠褚建民纪敬史胜青江泽平成铁龙 . 泡泡刺高通量转录组鉴定及其黄酮类代谢途径初步分析. 林业科学研究, 2016, 29(1): 61-66.
    [17] 刘仁林李江王琅 . 杜鹃属轮叶组类群的导管穿孔板多样性与系统发育的联系. 林业科学研究, 2008, 21(3): 301-307.
    [18] 饶龙兵杨汉波郭洪英段红平陈益泰 . 基于桤木属转录组测序的SSR分子标记的开发. 林业科学研究, 2016, 29(6): 875-882.
    [19] 李露双董文慧丁兴萃章志远孙春娃蔡函江 . 麻竹笋转录组测序及苦涩味物质合成基因差异表达分析. 林业科学研究, 2018, 31(4): 38-46. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2018.04.006
    [20] 郭飞龙卢孟柱徐刚标叶天文敖小平 . 胡杨基因组片段转化拟南芥表型研究. 林业科学研究, 2018, 31(4): 18-22. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2018.04.003
  • 加载中
图(4) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  3782
  • HTML全文浏览量:  2568
  • PDF下载量:  98
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-30
  • 录用日期:  2022-08-29
  • 网络出版日期:  2022-10-12
  • 刊出日期:  2023-02-20

九叶青花椒叶绿体基因组结构及系统进化分析

    通讯作者: 陈泽雄, chenzexiong1979@163.com
    作者简介: 刘霞,博士,副教授。主要研究方向:经济林种质资源开发与利用。电话:19942239287。Email:liuxiavip8@163.com
  • 1. 重庆文理学院园林与生命科学学院,重庆 402160
  • 2. 长江大学园艺园林学院/香辛作物研究院,湖北 武汉 434025
  • 3. 重庆三峡学院生物与食品工程学院,重庆 404000

摘要:  目的 揭示九叶青花椒叶绿体基因组的结构特征及其与其他物种的系统进化关系,为花椒属种质资源的鉴定、新品种的培育及品种间的遗传分析提供参考。 方法 使用改良CTAB法提取九叶青花椒叶片总DNA。利用BGISeq-500平台进行高通量测序,SPAdes v3.13.0软件组装叶绿体基因组,通过GeSeq注释九叶青花椒的全叶绿体基因组信息,对其叶绿体基因组序列的结构特征、重复序列、密码子偏好性及系统进化关系进行分析。 结果 九叶青花椒叶绿体基因组为典型的四分体组成结构,全长序列为158 579 bp,编码133个基因;测到19个串联重复序列,49个长片段重复,70个简单重复序列;九叶青花椒叶绿体基因组中的蛋白编码基因共有26 398个密码子(不包括终止密码子),在密码子第三位碱基上有较强的A/T碱基偏好性。 结论 本研究首次组装了九叶青花椒叶绿体基因组全序列,明确了花椒属为单系类群,九叶青花椒与野花椒(Z. simulans)关系密切,这将为花椒的遗传信息、花椒种质资源评价、分子育种、cpSSR分子标记的开发及遗传多样性等研究提供了重要参考。

English Abstract

  • 九叶青花椒(Zanthoxylum armatum ‘Jiuyeqing’)为芸香科(Rutaceae)花椒属(Zanthoxylum L.)竹叶花椒的主要栽培品种,具有矮化、丰产、质优、抗逆等优良特性[1],其果实清香,麻味纯正,备受消费者喜爱,市场需求旺盛[2]。我国花椒属植物的基础研究十分薄弱,花椒属物种间的系统发育关系尚待进一步解析。

    长期以来,国内外有关花椒属植物的研究大都集中在其化学成分的提取和分离[3-4],以及提取物种所具有的生物活性[5]和相应的药用价值方面[6],仅有少数学者基于少量的核基因(ETS 和 ITS)[7-8]、叶绿体基因(rps16trnL-trnF[8]、分子标记(SSR、RAPD 和 SRAP)[9-10]开展了花椒属内几个物种间的亲缘关系研究。但基于单个片段或分子标记其有效信息位点不足,花椒属内物种间的系统位置支持率不高,花椒属内种间系统进化关系未能很好的解析。因此,解析九叶青花椒的叶绿体基因组结构特征与系统进化关系,为花椒种质资源的分子鉴定、品种选育和农艺经济性状的遗传分析具有重要意义,亦为花椒属系统进化研究提供依据。

    叶绿体是植物进行光合作用的重要细胞器,在植物生长发育过程中具有重要作用[11]。叶绿体基因组一般具有保守的四分体结构,即包括大单拷贝区(Large Single Copy, LSC),小单拷贝区(Small Single Copy, SSC),2个反向重复区(Inverted Repeat Region, IRs)。大多数被子植物叶绿体基因组为母系遗传,且叶绿体基因组的核苷酸替换率适中[12],因此,叶绿体基因组是进行系统进化和分化时间分析的理想标记[13]。近年来,随着叶绿体基因组测序成本降低,使其在植物系统进化分析中广泛应用[14]。本研究利用高通量测序技术进行主栽品种九叶青花椒叶绿体全基因组测序,通过组装、拼接和注释得到其全长叶绿体基因组序列,并对其叶绿体基因组结构、组成及系统进化关系进行分析,旨在丰富花椒的遗传信息,为未来研究花椒属植物间的系统进化、亲缘关系及品种鉴定提供理论依据。

    • 九叶青花椒叶片采于重庆文理学院特色植物研究院花椒示范基地,植物标本(2021023jyq)放置于重庆文理学院园林与生命科学学院标本馆。采用改良CTAB法对九叶青花椒提取基因组DNA,-20 ℃冰箱保存,备用。

    • 利用提取的DNA构建shotgun文库,并在BGISEQ-500平台(中国,广州)进行测序。PE150双末端测序得到raw data,过滤掉低质量序列后得到reads进行拼接组装。使用SOAPnuke软件[15]进行质量控制后,以花椒(Zanthouxylum bungeanum Maxim.)的叶绿体基因组[16]作为参考,用SPAdes v3.13.0软件[17]组装叶绿体基因组。基因组注释采用GeSeq(https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/geseq.html)软件[18]。注释后的叶绿体基因组序列提交至GenBank数据库中。

    • 九叶青叶绿体基因组序列的GC含量采用Editseq v7.1.0软件[19]计算,OGDRAW软件[20]制作九叶青花椒叶绿体基因组图谱。CodonW v.1.4.2 软件[21]分析相对密码子使用度(Relative Synonymous Codon Usage, RSCU),研究其偏好性。

    • 通过Tandem Repeats Finder(https://tandem.bu.edu/trf/trf.html)搜寻基因组序列中的串联重复序列,用REPuter(https://bibiserv.cebitec.uni-bielefeld.de/reputer/)在线服务分析叶绿体基因组中的重复序列(正向、反向、回文和互补重复),采用MISA (https://webblast.ipk-gatersleben.de/misa/)在线预测九叶青花椒叶绿体基因组包含的简单重复序列(Simple Sequence Reapeat, SSR),其中,一、二、三、四、五、六碱基重复的检测标准分别设置为10,6,5,5,5,5。2个SSR之间的最小距离设置为100 bp,小于100 bp时,2个微卫星组成1个复合微卫星。

    • 从NCBI上下载得到12个芸香科物种的完整叶绿体基因组序列,将这些叶绿体基因组序列与本研究得到的九叶青花椒的完整叶绿体基因组序列通过MAFFT软件[22 ] 进行比对分析,其中黄檗(Phellodendron amurense Rupr.)和川黄檗(Phellodendron chinense Schneid.)的叶绿体基因组序列作为外类群。采用RAxML软件[23]构建ML (Maximum Likelihood)树,建树过程中通过GTR模型确定最优树。MrBayes3.1.2软件[24]构建BI(Bayesian)树,采用GTR替代模型和伽马分布率,每1 000代进行1次计算。

    • 注释组装获得九叶青花椒完整的叶绿体基因组图谱见图1。该叶绿体基因组序列全长158 579 bp,包括大单拷贝区域(LSC)长85 780 bp,小单拷贝区域(SSC)长17 603 bp,2个反向重复区(IRa和IRb)相等长度为27 598 bp。共注释了133个基因,其中,88个蛋白编码基因,37个tRNA基因和8个 rRNA基因。叶绿体基因组总的GC含量为38.5%,IR区域(42.5%)的GC含量明显高于LSC 区域(36.8%)和SSC 区域(33.6%),这可能主要是IR区域具有高GC含量的rRNA基因造成的。在注释的九叶青花椒叶绿体基因组中18个特异基因具有内含子,包括12个特异编码基因和6个特异tRNA基因。除pafI具有2个内含子外,其余均具有1个内含子。rps12基因被截断为2个片段,其中,1个外显子位于LSC区域,另外2个外显子位于IR区域。最长内含子位于trnK-UUU基因,长2 503 bp,主要是因为内部包含matK基因;rps12基因内含子最短(538 bp)。

      图  1  九叶青花椒叶绿体基因组图谱

      Figure 1.  Gene map of the chloroplast genome of Z. armatum‘Jiuyeqing’

    • 通过软件测算在九叶青花椒叶绿体基因组中存在19个串联重复序列,其中,长度最大为25 bp,最小为14 bp,长度为18 bp的重复序列最多,有6个。该叶绿体基因组中共检测到长片段重复序列49个,其中,21个正向重复,8个反向重复,19个回文重复和1个互补重复(图2)。重复长度范围为19~50 bp,其中,长度为20 bp的重复最多(10个),其次是19 bp(9个),而重复长度为26、31、48、50 bp的最少,均1个。在九叶青花椒叶绿体基因组中共预测到70个SSR,包括60个单核苷酸,1个二核苷酸,9个复合型SSR(表1)。75.7%的SSR位于IGS和内含子等非编码区域且A/T碱基在SSR中出现频率较高,在60个单核苷酸SSR中,包含A碱基SSR有26个,包含T碱基SSR有32个。从表1可以看出,SSR在叶绿体基因组中分布随机,表明SSR数量丰富,遗传信息含量高,可筛选具有多态性的引物,为未来研究花椒种群遗传多样性和遗传结构提供参考。

      图  2  九叶青花椒叶绿体基因组重复序列类型

      Figure 2.  Types of repeat sequences in the chloroplast genome of Z. armatum‘Jiuyeqing’

      表 1  叶绿体基因组SSR预测

      Table 1.  Chloroplast genome SSR prediction

      序号
      Number
      重复类型
      Repeat type
      简单重复序列
      SSR
      起始
      Start
      终止
      End
      所在位置
      Position
      1 p1 (T)19 1 771 1 789 IGS
      2 p1 (T)11 2 418 2 428 matK
      3 p1 (A)10 3 085 3 094 matK
      4 p1 (A)10 4 684 4 693 IGS
      5 p1 (A)10 6 287 6 296 IGS
      6 p1 (T)13 6 873 6 885 IGS
      7 c (A)12gacgtacattttatcaaaaattatacttaatagagttgctcaaa
      ggggggaattc(T)12
      7 281 7 359 IGS
      8 p1 (A)14 7 770 7 783 IGS
      9 p1 (T)14 8 334 8 347 IGS
      10 c (A)11(AAT)5 8 717 8 740 IGS
      11 p1 (T)11 9 319 9 329 IGS
      12 p1 (A)13 9 834 9 846 intron
      13 p1 (A)15 13 273 13 287 intron
      14 p1 (A)11 14 122 14 132 IGS
      15 p1 (T)10 16 570 16 579 IGS
      16 p1 (T)11 19 493 19 503 rpoC2
      17 p1 (A)12 23 671 23 682 intron
      18 p1 (T)20 24 067 24 086 intron
      19 p1 (T)10 27 372 27 381 rpoB
      20 p1 (A)18 28 352 28 369 IGS
      21 p1 (C)10 28 617 28 626 IGS
      22 c (T)12caatagaaaaaaagaaagagaaaagagagggattaagatattgtgtgttttgagatactataaaatcaattgcagaaatggagttgctccaaaaaaag(A)10 29 037 29 156 IGS
      23 p1 (A)10 29 784 29 793 IGS
      24 p1 (T)10 31 390 31 399 IGS
      25 p1 (T)10 31 563 31 572 IGS
      26 p1 (T)11 32 418 32 428 IGS
      27 p1 (T)13 33 368 33 380 IGS
      28 p1 (G)11 36 561 36 571 psbC
      29 p1 (T)10 45 777 45 786 intron
      30 p1 (A)12 47 071 47 082 IGS
      31 p1 (T)15 51 184 51 198 IGS
      32 p1 (T)10 52 626 52 635 IGS
      33 p1 (T)10 53 551 53 560 intron
      34 p1 (T)19 56 537 56 555 IGS
      35 p1 (A)12 57 034 57 045 IGS
      36 p1 (T)12 61 599 61 610 IGS
      37 c (T)14cattttttcaaaatattcgagagtttcttttttaatag(A)10 62 628 62 689 IGS
      38 p1 (A)10 65 486 65 495 IGS
      39 p1 (A)10 67 533 67 542 IGS
      40 p1 (A)10 68 248 68 257 IGS
      41 p1 (A)10 68 735 68 744 IGS
      42 p1 (A)11 69 053 69 063 IGS
      43 p1 (T)10 69 446 69 455 IGS
      44 p1 (A)10 72 760 72 769 clpP
      45 p1 (T)10 74 477 74 486 IGS
      46 p1 (T)10 76 170 76 179 IGS
      47 p1 (T)12 83 898 83 909 rpl16
      48 p1 (T)16 85 546 85 561 IGS
      49 p1 (T)11 101 363 101 373 IGS
      50 p1 (A)16 110 363 110 378 IGS
      51 p1 (T)10 110 534 110 543 IGS
      52 c (T)11atttaccattaatggtaaat(A)11 110 781 110 822 IGS
      53 p1 (A)12 112 609 112 620 ycf1
      54 c (A)10ttcttttgctattcatttttcttttgctattcatagttattttgaatctttcccaac
      aactt (A)10
      115 675 115 756 IGS
      55 c (A)17cgtac(T)11 116 867 116 899 IGS
      56 p1 (A)11 117 100 117 110 IGS
      57 p1 (T)12 117 541 117 552 IGS
      58 c (T)10atttaactgaaactgaagagaaggaaaaagacttccttgttcattggctaacgaac(T)12 118 691 118 768 IGS
      59 p1 (A)10 120 421 120 430 IGS
      60 p1 (T)10 122 121 122 130 IGS
      61 p2 (TA)6 122 278 122 289 IGS
      62 p1 (A)13 124 680 124 692 intron
      63 p1 (T)11 126 547 126 557 IGS
      64 p1 (A)10 127 040 127 049 IGS
      65 p1 (T)11 129 898 129 908 ycf1
      66 p1 (T)12 131 740 131 751 ycf1
      67 c (T)11atttaccattaatggtaaat(A)11 133 538 133 579 IGS
      68 p1 (A)10 133 817 133 826 IGS
      69 p1 (T)16 133 982 133 997 IGS
      70 p1 (A)11 142 987 142 997 IGS
      注:p单个SSR类型;p1/p2/p3中数字分别表示构成基序的碱基个数;c复合SSR类型;IGS代表基因内间隔区
        Notes: p is a single SSR type; the numbers in p1/p2/p3 indicate the number of bases constituting the motif, respectively;c is the compound SSR type; IGS represents the intergenic spacer
    • 在九叶青花椒叶绿体基因组中的蛋白编码基因共有26 398个密码子(不包括终止密码子),其中,亮氨酸Leu的密码子最丰富(2 821个),占总数的10.69%,编码Leu的6种同义密码子中TTA数量最多;编码半胱氨酸Cys的数量最少(310个),仅占密码子总数的1.17%。通过对密码子使用频率的计算结果表明:编码异亮氨酸Ile的ATT(1 078)使用次数最多,编码甲硫氨酸Met的ATT(1)和GTG(2)的使用次数最少。相对同义密码子使用率值(RSCU)受影响密码子使用模式的突变因子的影响,因此,RSCU<1表示密码子使用率较低,RSCU >1表示密码子使用率较高,RSCU=1表示无偏倚[25]。经计算分析,相对同义密码子使用值(RSCU)的范围为0.005(ATT)到2.986(ATG),分析还发现RSCU>1的密码子有31种,说明这些密码子有一定的偏好性。在这些密码子中,29个以A或T结尾,仅2个以G结尾,这说明九叶青花椒在密码子第三位碱基上有较强的A/T碱基偏好性。由图3可以看出:编码精氨酸Arg、亮氨酸Leu和丝氨酸Ser密码子种类最多,有6种密码子编码。色氨酸Trp不存在密码子偏好性(RSCU=1),只有1个密码子(TGG)编码。

      图  3  九叶青花椒叶绿体基因组氨基酸RSCU值

      Figure 3.  Amino acid RSCU values of the chloroplast genome of Z. armatum‘Jiuyeqing’

    • 以黄檗和川黄檗2个黄檗属植物为外类群,连同花椒属11个植物的全叶绿体基因组序列构建ML和BI系统进化树,2种方法得到的拓扑结构基本一致,仅在个别分支节点支持率上略有差别。从图4可看出:花椒属物种聚为一支,2种方法在分支上的支持率均为100%,为单系类群。Z. paniculatumZ. madagascariense 位于分支基部与其他花椒物种构成姊妹群关系,且分支支持率为100%和1(ML和BI)。狭叶花椒、青花椒和Z. pinnatum聚为一个分支与Z. tragodes、胡椒木、花椒、Z. sp. NH-2018、野花椒和九叶青花椒形成的分支构成姊妹群关系,分支支持率均为100%,其中,九叶青花椒与野花椒呈姊妹关系,亲缘关系最近,与花椒(Z. bungeanum)亲缘关系相对较远。

      图  4  基于13种植物全叶绿体基因组序列构建的系统发育树

      Figure 4.  Phylogenetic tree based on complete chloroplast genomes sequences of 13 species

    • 在大多数的被子植物中,叶绿体基因组具有典型的四分体结构[26],序列长度一般为120~160 kb。九叶青花椒叶绿体基因组同样具有相同的序列结构特征,其叶绿体基因组总长度为158 579 bp,其中,LSC长85 780 bp,SSC长17 603 bp,IRs长度为27 598 bp,总的GC含量为38.5%,IR区域(42.5%)的GC含量明显高于LSC 区域(36.8%)和SSC 区域(33.6%),这主要是因为IR区域具有高GC含量的rRNA基因造成的。

      九叶青花椒叶绿体基因组中的蛋白编码基因共有26 398个密码子,在31种RSCU>1的密码子中,除了TTG和ATG外,其余密码子均以A或T结尾,这说明了九叶青花椒在密码子的使用偏向于第三个密码子位置为A和T,有较强的A/T碱基偏好性。研究结果与蒺藜苜蓿(Medicago truncatula Gaertn.)[27]、杓兰(Cypripedium calceolus L.)[28]、和马尾松(Pinus massoniana Lamb.)[29]等植物叶绿体基因的第3位密码子偏好性趋势相吻合,但与酸枣(Ziziphus jujuba var. Spinosa (Bunge) Hu ex H. F. Chow)[30]、陆地棉(Gossypium hirsutum L.)[31]和樟树(Cinnamomum camphora (L.) Presl)[32]等植物的叶绿体基因分析结果不同。这表明密码子使用偏好性在不同物种中存在一定的差异。

      叶绿体SSR是研究群体遗传学、生物地理学和系统进化等高效的分子标记[33],在大量研究中广泛应用。在九叶青花椒叶绿体基因组SSR预测中,绝大多数为单碱基重复(60/70),这与肖蒲桃(Syzygium acuminatissimum (Blume) Candolle)[34]、胡桃(Juglans regia L.)[35]和金钱槭(Dipteronia sinensis Oliv.)[36]等大多数植物研究结果一致。重复序列的分析为将来青花椒品种及其他植物的物种鉴定和个体水平的遗传差异分析提供了丰富的遗传信息支撑。

      我国花椒属物种繁多,品种较多,为该属的物种、品种鉴定带来极大困难。本研究基于叶绿体基因组序列得到的花椒属系统进化结果与Appelhans 等[8]利用叶绿体基因片段和核基因片段构建的进化树结果一致,花椒属物种均聚为一个分支,形成单系类群,这与Feng等[37]的研究结果一致。花椒属物种形成2大分支,即崖椒亚属和花椒亚属2大分支,这与传统的分类学结果一致。本研究表明,九叶青花椒与野花椒亲缘关系较近,与北方主栽花椒亲缘关系相对较远,这与Feng等[37]的研究结果一致。但由于花椒属物种较多,目前提交到数据库中的叶绿体基因组序列有限,基于叶绿体基因组序列构建花椒属的系统进化关系还不够全面,将来需获取更多花椒属物种的数据来全面分析物种间的系统进化关系。

    • 本研究利用高通量测序技术,组装和注释了九叶青花椒完整的叶绿体基因组,并解析了该基因组的结构特征和系统进化关系,结果表明,九叶青花椒叶绿体基因组的结构特征与其他花椒属植物相似,为典型的四分体组成结构,全长序列为158 579 bp,编码133个基因,26 398个密码子,检测到19个串联重复序列,49个长片段重复、70个简单重复序列。系统进化关系分析表明,花椒属为单系类群,九叶青花椒与野花椒关系密切。研究结果可为未来研究花椒种群遗传多样性和遗传结构提供参考。

参考文献 (37)

目录

    /

    返回文章
    返回