《榕属叶绿体基因组比较研究获进展》

  • 来源专题:转基因生物新品种培育
  • 编译者: 姜丽华
  • 发布时间:2022-12-05
  •       近年来,叶绿体基因组因基因组小、突变率和重组率低的特点,被广泛用于植物系统发育、分子进化、谱系地理学的研究。榕属(Ficus)作为桑科的最大属,且是热带雨林的关键物种,而其系统发育关系仍需进一步研究。榕属物种具有多样的生态型,体现了对不同生境的高度适应性。尽管近年来关于榕属叶绿体基因组的研究有所发展,但缺少基于较大样本量的全属水平的叶绿体基因组的结构变异及系统进化的分析。

      中国科学院西双版纳热带植物园协同进化研究组与吉林农业大学合作,对囊括了6个榕亚属的24种叶绿体基因组进行全面分析,揭示了基因组中的高变区域以及蛋白编码基因的选择进化模式。研究进一步结合先前发表的40个榕属叶绿体基因组,进行了系统发育分析和物种分化时间的估算。结果表明:榕属叶绿体基因组在结构上具有很高的保守性,鉴定到8个分化热点区域,为区分近缘种以及群体水平的谱系地理分析提供候选区域。三个蛋白编码基因(clpP、rbcL、ccsA)受到正选择作用,或有助于不同生活型的榕树对不同生境的适应,其余蛋白质编码基因均经历了纯化选择。同时,基于叶绿体基因组数据构建的系统发育树为解决榕属植物的系统发育提供了新见解。叶绿体基因组的分化时间估计则与基于核基因的分化时间相似,约起源于74.5百万年前,快速分化于中新世早期至中期,这一时间与中新世早期的全球变暖和中新世气候适宜期相吻合。

      相关研究成果以Comparative chloroplast genome analysis of Ficus (Moraceae): Insight into adaptive evolution and mutational hotspot regions为题,发表在Frontiers in Plant Science上。研究工作得到中国科学院“西部之光”人才培养计划“西部青年学者”项目、云南省基础研究计划项目和国家自然科学基金的支持。

  • 原文来源:https://www.cas.cn/syky/202211/t20221121_4855422.shtml
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  • 《海洋所在绿潮藻叶绿体基因组进化机理研究上取得新进展》

    • 来源专题:生物育种
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2023-05-11
    • 石莼属(Ulva)海藻是一类具有重要生态功能和开发潜力的经济海藻,同时也是一类可以暴发性生长导致绿潮灾害的大型绿藻,在全球范围内广泛分布。中国科学院海洋所海洋生态环境基因组学团队围绕石莼属绿藻叶绿体基因组进化机理开展研究,取得重要进展。   通过对石莼纲叶绿体基因组的比较研究,发现石莼属叶绿体基因组在进化过程中通过在基因组层面作用于GC含量的强选择方式,极大地降低了基因组的GC含量。石莼属叶绿体基因组GC含量只有23.89-26.25%,其含量水平是在目前已知藻类中最低。这种极端方式的建立很可能赋予了石莼属绿藻重要的优势,这有助于节省叶绿体的能量、减少对氮的需求,优化物质和能量分配,更有助于石莼属绿藻的生长和生物量的积累。   研究发现石莼属叶绿体基因组含有数量多且类型多样的内含子,包括不同的I型和II型内含子家族,涉及到不同的核酸酶和反转录酶类型(内含子编码蛋白);内含子主要分布在GC含量较高的叶绿体蛋白编码基因中,这种分布模式有别于其它的绿藻支系;同时I型和II型内含子存在频繁的归巢和退化现象,并且内含子由异质性向同质性转变,推测在推动叶绿体基因组进化过程中发挥作用。   同时发现了一类新的叶绿体特异开放阅读框(ORF),广泛存在于不同石莼属物种的叶绿体基因组中,这类特异ORF与叶绿体基因展现出不同的进化路径,无法反映石莼属的系统演化关系,但携带这类ORF的外源片段频繁地入侵到叶绿体基因组中,并且与基因组重排展现出紧密的关系,这一发现有助于解释叶绿体基因组的多样性和基因组重排的驱动机制;同时发现石莼属叶绿体基因组丢失反向重复区(IR)后,出现了基因簇的分区模式变化,基因簇重排的范围显著扩张。上述研究发现提升了我们对绿藻叶绿体基因组进化特点和趋势的认识,对于深入理解绿潮藻叶绿体基因组的进化驱动力和物种形成机制具有重要意义。   相关研究成果在国际学术期刊Frontiers in Plant Science发表,上述研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、科技部科技基础资源调查专项等资助,刘峰研究员为该成果第一兼通讯作者,参与完成该成果的合作者还有中国科学院海洋所的陈楠生研究员、硕士研究生王洪淑和李嘉敏、助理研究员王静和曲凡。
  • 《武汉植物园在龙胆族叶绿体基因组进化和系统学研究中取得进展》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2020-09-02
    • 随着二代测序技术的飞速发展,植物叶绿体基因组序列已普遍应用于重建植物“生命之树”研究中。大多数植物叶绿体基因组呈环状四分体结构,包含约80个蛋白编码基因。叶绿体基因组由于缺乏重组而通常被认为是连锁的单一基因座;然而,越来越多的研究证据表明,叶绿体基因组中不同区域以及不同编码基因具有不同的核酸替代速率,经受不同的自然选择压力。目前对于叶绿体单基因或不同功能组基因的进化研究还很少。另外,传统基于叶绿体基因组的系统基因组学研究通常直接将叶绿体基因组直接串联起来进行系统树构建,因此单基因遗传变异导致的系统发育不一致性往往被忽略。   龙胆族包含龙胆亚族和獐牙菜亚族,大多数物种生长在青藏高原高山草甸及流石滩,包含许多著名的高山花卉和药用植物,如龙胆、獐牙菜、秦艽、扁蕾等,是理解高山植物演化和适应性的良好类群。龙胆族内系统关系也一直没有很好的解决,基于DNA片段的系统学研究往往不能提供很好的分辨率。   武汉植物园系统与进化学科组采集了龙胆族10个属的样品,进行叶绿体基因组测序,探讨龙胆族系统发育关系以及叶绿体基因组进化。系统发育分析得到了各属之间稳健的系统关系,其中獐牙菜属不是单系。研究发现单基因系统树之间存在很大的变异,而将所有基因串联建树掩盖过了单基因带来的差异。超过一半的基因导致龙胆族混乱的系统关系,其中包括常用分子标记。这可能解释了以往使用DNA片段的研究无法很好的重建该族系统发育关系。对核苷酸替代率的估计显示,不同叶绿体基因之间以及不同功能组基因之间存在广泛的替代率异质性。比较分析表明,核糖体蛋白基因和RNA聚合酶基因在龙胆族叶绿体基因中具有较高的替代率和遗传变异;参与光合作用的编码基因较为保守。比较分析揭示了rpoC2基因具有较高系统发育信息性,可用作龙胆族分类学研究的条形码。此外,龙胆族叶绿体蛋白编码基因组都经历着纯化选择,纯化选择对有害变异的过度清除可能会模糊对系统发育关系的推断。   该研究首次利用系统基因组学揭示龙胆族内系统发育关系,为以后研究该族物种的起源和进化打下基础。比较基因组学分析揭示了广泛的进化速率异质性和质体基因间的遗传变异;同时揭示了普遍存在的单基因树系统发育不一致,突出了在未来的系统基因组学研究中考虑基因树异质性的必要性。相关研究成果以“Plastome phylogenomic study of Gentianeae (Gentianaceae): widespread gene tree discordance and its association with evolutionary rate heterogeneity of plastid genes”为题发表在国际著名期刊BMC Plant Biology。系统与进化课题组博士生张旭为论文第一作者,王恒昌研究员指导完成。