《华南植物园在石仙桃叶绿体基因组进化和系统学研究取得进展》

  • 来源专题:生物育种
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2023-06-09
  •     兰科石仙桃属植物(Pholidota Lindl. ex Hook.)分布于亚洲热带、亚热带地区,世界约有30种,我国产约15种。该属植物具有重要的经济价值,其中有些类群为传统中药材,俗称石橄榄。然而,以往由于采样不足、缺乏足够的信息位点及有限的基因组信息,该属和近缘属间的关系和系统地位尚不清楚,石仙桃属的分类问题尚存在争议。为了解该属植物的系统发育关系及其叶绿体基因组的变异模式,科研人员对13种石仙桃属植物的叶绿体全基因组进行了高通量测序、组装和注释分析。结果显示,石仙桃属叶绿体基因组均为典型的环状四分体结构,大小在158,786 ~ 159,781 bp之间。每个叶绿体基因组包含135个基因,其中蛋白质编码基因89个,tRNA基因38个,rRNA基因8个。密码子使用模式分析显示石仙桃属叶绿体基因组偏向使用以A/U结尾的密码子。重复序列分析鉴定出444个串联重复序列,322个回文重复序列和189个散在重复序列。变异位点共检测到525个SSRs、13834个 SNPs和8630个InDels。本研究确定了6个高度可变区域,用于未来的分子标记及相关的遗传学和基因组学研究。

  • 原文来源:http://www.ebiotrade.com/newsf/2023-6/20230608070307282.htm
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    • 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。
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    • 编译者:姜丽华
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    • 菱属(Trapa L.),为菱科(Trapaceae)单属,一年生浮叶水生草本植物,是我国传统的药食两用水生作物,具有重要的生态学和经济学价值。我国菱属资源非常丰富,世界菱属植物的两个物种多样性中心均分布于我国:一是长江中下游地区,二是黑龙江及图们江流域。据《中国植物志》记载,我国共有菱属15种9变种。然而,随着人类活动干扰的不断加剧,湿地不断萎缩退化,菱属生境遭到严重破坏,野生菱种质资源严重流失。目前,细果野菱已经位列中国珍惜濒危植物名录,属国家二级保护植物。因此,菱属野生种质资源的收集已经迫在眉睫,而准确的物种及亲缘关系鉴定,是有力保护和长期利用植物遗传资源的前提。 被子植物的叶绿体基因组为母系遗传的单倍体,其已经成为物种鉴定和系统分类研究的重要工具。而菱属植物由于其营养体相似,果实的形态特征变异幅度广泛,目前属内缺乏一致的、明确的物种划界标准,这给菱属的物种鉴定及进化关系探讨带来很大困难。为了填补这一研究空白,本研究选取13个菱属野生物种进行叶绿体全基因组测序,对15个菱属物种叶绿体基因组进行比较分析,并利用质体序列构建菱属系统发育树。 本研究结果发现,菱属15个野生物种/类群的叶绿体基因组大小为155,453-155,559 bp,具有典型的叶绿体四分体结构:一个LSC、一个SSC和两个IR区域。15个菱属叶绿体基因组结构、GC含量和编码基因数量都具有高度相似性。同时,他们都注释到了130个基因,其中包含85个蛋白编码基因、37个tRNA和8个rRNA。 比较分析发现,菱属叶绿体基因组中有两个高变异热点区域(atpA-atpF和rps2-rpoC2),以及丰富的长重复序列和SSRs位点,主要分布在LSC区和非编码区,可作为潜在的分子标记,用于后续菱属物种鉴定。 三种系统发育树构建方法(MP,ML和BI)一致显示,菱属内部有两个进化分支,小果分支和大果分支。小果分支仅包括细果野菱和四角刻叶菱,位于系统进化树的基部;其余物种属于大果分支,且大果分支内部,菱属物种依据其果实外部形态特征和地理来源进行聚类。 本研究首次报道了15个菱属野生物种叶绿体基因组的比较分析,并基于叶绿体序列构建了菱属内系统进化关系,为菱属植物物种鉴定和系统进化发育研究提供了基础资料,为菱属遗传资源的管理和利用提供了科学依据。 本研究结果已发表在国际期刊BMC plant biology上,中国科学院武汉植物园与西藏大学联培生博士生樊香绒为论文第一作者,水生植物生物学实验室副研究员陈媛媛为通讯作者。本研究由国家自然科学基金(31100247)和中国科学院武汉植物园科研骨干计划(Y855291)资助。