石刁柏核质体DNA的生物信息学分析及染色体定位

在植物基因组中, 叶绿体DNA (cpDNA)序列可以向核基因组转移成为核质体DNA (NUPT)。NUPTs在植物染色体(包括性染色体)的演化过程中具有重要作用, 但目前相关研究比较缺乏。以雌雄异株植物石刁柏(Asparagus officinalis)为材料, 采用生物信息学方法对其核基因组NUPTs进行注释及分析, 并选取叶绿体基因组反向重复区(IR) 2个片段进行染色体定位。结果表明, 石刁柏核基因组中有2 239个NUPTs序列的插入, 总长度为565 970 bp, 占核基因组的0.047%。不同染色体上插入的NUPTs数量存在较大差异, Y染色体上的NUPTs数量、密度及总长度均高于其它染色体, 表明NUPTs在石刁柏性(Y)染色体上累积的更多。石刁柏叶绿体基因组中的IR区、大单拷贝区(LSC)和小单拷贝区(SSC)序列均能够向核基因组转移, 但IR区序列转移频率更高。此外, 对2个IR区的叶绿体序列进行荧光原位杂交, 其中AocpIR1主要分布在所有染色体的着丝粒部位, 而AocpIR2特异性分布在Y染色体上。研究结果为深入揭示石刁柏基因组的结构及其性染色体的演化奠定了坚实的基础。     

石刁柏雄性偏向核质体DNA的克隆与分析

该研究以雌雄异株植物石刁柏为材料,利用基因组消减杂交技术对石刁柏雌雄核基因组中的性别差异核质体DNA（nuclear plastid DNA,NUPTs）进行了分离和分析。结果表明：（1）通过构建消减杂交文库共获得了52个雄性偏向序列,序列长度分布在63~297 bp之间,其中有19个差异序列属于叶绿体来源序列（命名为Ao1~Ao19）,且这些序列与石刁柏叶绿体基因组的相似性均大于84%,Ao19与石刁柏叶绿体基因组相似性为100%。（2）利用基因组半定量PCR对19个NUPTs序列的性别差异分析表明,有4条序列为稳定的雄性偏向NUPTs序列,分别为Ao1、Ao3、Ao10和Ao18。（3）序列比对表明,转移到核基因组的NUPTs主要来源于叶绿体基因组的反向重复区（包含IRa和IRb区）,说明石刁柏叶绿体基因组重复区序列更容易向核基因组进行转移形成雄性偏向的NUPTs序列。     

薯蓣和叉蕊薯蓣叶绿体基因组及特异性DNA条形码鉴定序列筛选研究

前期研究表明,目前常用的DNA条形码序列对薯蓣属物种的鉴定效率低.本研究利用高通量测序技术测定了薯蓣(Dioscorea opposita)和叉蕊薯蓣(D.collettii)叶绿体基因组,完成了其物理图谱绘制,基因组结构特征解析,特异性DNA条形码序列的筛选.薯蓣和叉蕊薯蓣叶绿体基因组总长度分别为152963和153870 bp,均包含两个反向重复区(IRs)、一个大单拷贝区(LSC)和一个小单拷贝区(SSC)4部分.薯蓣和叉蕊薯蓣均含有125个基因,其中包含87个蛋白编码基因、30个t RNA和8个r RNA.薯蓣和叉蕊薯蓣的GC含量分别为37.04%和37.17%,经多序列比对发现薯蓣属叶绿体基因组中非编码区变异高于保守的蛋白编码区域,LSC区、SSC区变异大于IR区,筛选出了10个潜在的适合作为鉴定薯蓣属植物的特异性DNA条形码序列,其中包括5个蛋白编码基因和5个基因间隔区.系统进化树显示,叶绿体全基因组序列也可作为薯蓣属物种鉴定的超级条形码.本研究为薯蓣属系统进化以及物种鉴定等领域的研究提供依据.     

胡颓子科叶绿体基因组系统发育分析与演化趋势推断

【目的】为探索胡颓子科叶绿体基因组演化趋势,从而为胡颓子科植物物种鉴定以及资源开发利用提供理论依据。【方法】研究从头组装并注释了沙棘属（Hippophae）和野牛果属（Shepherdia）共4个类群的叶绿体基因组,结合已发表的叶绿体基因组序列,比较了胡颓子科各类群叶绿体基因组的基因构成、重复序列和结构特征,建立了系统发育树,并通过高分化区定位了该科叶绿体基因组的潜在DNA条形码区域。【结果】胡颓子科各属叶绿体基因组在四分体结构、基因数量和排列上高度相似;沙棘属和野牛果属的反向重复区（IR）和整个基因组重复序列数目较胡颓子属有扩张和增加的趋势。基于胡颓子科18个类群的叶绿体全基因组序列的系统发育树中,胡颓子属、沙棘属和野牛果属各自聚为一支,前者先分化出来,沙棘属和野牛果属有最近共同祖先;从长单拷贝区（LSC）和短单拷贝区（SSC）筛选出3个DNA条形码候选区,其中ycf1基因的鉴定效果最佳,基于此构建的各类群系统发育关系与基于全基因组序列的结果一致。【结论】胡颓子科的叶绿体基因组结构保守,但其非编码区序列在各属间存在明显差异,且IR区序列与重复序列在演化过程中分别有扩张和增多的趋势。研究选定的DNA条形码序列能很好区分胡颓子科各属之间以及胡颓子属内物种间关系。     

欧亚大陆分布的大花菟丝子叶绿体基因组插入缺失分析

运用鸟枪法在Illumina测序仪上对亚洲分布的大花菟丝子(Cuscuta reflexa叶绿体基因组核苷酸全序列进行测定,并与已经发表的分布于欧洲的大花菟丝子进行了比较分析.研究结果表明亚洲分布的大花菟丝子叶绿体基因组总长度为120 972 bp,由79 499 bp的长单拷贝区,8 369 bp的短单拷贝区,以及两个16 552 bp的反向重复区组成,其长度比欧洲分布的大花菟丝子小了549 bp;基因组总GC含量为38.3％,稍高于欧洲分布的大花菟丝子.两地区的大花菟丝子叶绿体全基因组编码的功能基因完全相同,且基因排列顺序也完全一致.另外,经过进一步序列比对后发现亚洲分布的大花菟丝子与欧洲分布的存在251个插入和210个缺失现象,总插入缺失及碱基替换长度分别为7 649 bp和3 720 bp,最大的插入和缺失长度分别为426 bp和435 bp.很多插入缺失都是单碱基,但仍然存在四个长度超过200 bp的大突变,两个大的缺失发生在ycf2基因中,两个大的插入分别发生在trn F-psbE和matK-trnQ间隔区,详细的对比后发现大量的插入缺失都发生在大单拷贝区的基因间隔区,且插入缺失在反向重复区的发生频率较低.本研究首次报道不同大洲分布的同种异养植物的叶绿体全基因组比较分析,为研究这两个区域的居群多样性提供了基础资料.     

两种珍稀白蝶兰属(兰科)叶绿体基因组比较分析

为理解珍稀濒危兰科植物龙头兰(Pecteilis susannae)和景洪白蝶兰(P.hawkesiana)的叶绿体基因组的基本特征,开发用于物种鉴定、保护遗传学和系统发育分析的分子标记,该研究利用二代测序技术对龙头兰和景洪白蝶兰进行浅层基因组测序,采用生物信息学分析方法进行叶绿体基因组的拼接、组装和注释,并与其他近缘物种进行比较基因组分析和系统发育分析。结果表明：(1)龙头兰和景洪白蝶兰的叶绿体基因组大小分别为154 407 bp和153 891 bp,由一对26 550 bp和26 523 bp的反向重复序列(IR)、84 204 bp和83 756 bp的大单拷贝区(LSC)、17 103 bp和17 089 bp的小单拷贝区(SSC)组成;均注释了111个唯一基因,包括77个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因。(2)在叶绿体基因组中分别鉴定出94个和92个简单重复序列(SSRs)。(3)二者之间存在706个单核苷酸多态性(SNPs)位点和152个插入缺失(InDels)位点,其中cpInDel 067等可以区分2个物种。(4)观察到1个差异较大的基因(accD...     

新型水果空心泡叶绿体基因组特征及其系统发育分析北大核心CSCD

为探究空心泡(Rubus rosaefolius)叶绿体基因组特征,本研究以空心泡为试验材料,采用Illumina NovaSeq平台进行高通量测序,获得空心泡完整的叶绿体基因组序列,并进行空心泡叶绿体基因序列特征和系统发育分析。结果表明:空心泡的完整叶绿体基因组总长度为155650 bp,具有典型的四分体结构,包括2个反向重复序列(各25748 bp)、1个大拷贝区(85443 bp)、1个小拷贝区(18711 bp)。空心泡叶绿体全基因组共鉴定出131个基因,包括86个蛋白质编码基因、37个tRNA基因和8个rRNA基因,全基因组的GC含量为36.9%。空心泡叶绿体基因组包含47个散在重复序列、72个简单重复序列(simple sequence repeating,SSR)位点,密码子偏好性为亮氨酸密码子,偏好使用A/U结尾的密码子。系统发育分析表明,空心泡与小叶悬钩子(Rubus taiwanicola)亲缘关系最近,其次是能高悬钩子(Rubus rubroangustifolius)和腺萼悬钩子(Rubus glandulosopunctatus)。空心泡的叶绿体基因组特征及其系统发育分析,为空心泡的遗传多样性研究和叶绿体开发利用提供理论依据。     

桃儿七叶绿体比较基因组学分析

为探究桃儿七(Sinopodophyllum hexandrum)不同叶绿体基因组特征,本研究以桃儿七5个叶绿体基因组为研究对象,借助生物信息学工具进行基因组图谱构建、重复序列分析、密码子偏好分析、反向重复序列区(inverted repeat, IR)/单拷贝区(single-copy, SC)边界分析、基因组序列比较分析及系统发育分析。结果表明:桃儿七5个叶绿体基因组全长为157 203–157 940 bp,为典型的叶绿体四分体结构,共注释出133–137个基因,说明桃儿七叶绿体基因组具有多样性。桃儿七不同叶绿体基因组简单重复序列(simple sequence repeat, SSR)位点不同,单核苷酸A/T占主要优势,散在重复序列包括正向重复、回文重复和反向重复3类。密码子偏好分析显示有效密码子(effective number of codon,ENc)值为51.14–51.17,密码子偏好性弱,GC与GC3s所占比例小于50%,密码子偏向使用A和U碱基并且以A和U碱基结尾。桃儿七5个叶绿体基因组IR/SC边界和基因组序列均比较保守。系统发育分析结果表明桃儿七和北美桃儿七亲...     

五味子叶绿体基因组结构解析与比较分析

五味子是一种重要的药用植物.本研究通过Illumina HiSeq测序平台对五味子全基因组进行测序,完成了五味子叶绿体基因组的组装与结构解析,并与其他基部被子植物叶绿体基因组进行比较分析.五味子叶绿体基因组全长146730bp,GC含量为39.7%,由典型的4个区域组成,包括一个长单拷贝区、一个短单拷贝区和一对反向重复区(IR),其长度分别为95538、18270和16461 bp.共注释出113个基因,包括79个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因.有4个蛋白质编码基因、5个tRNA基因和4个rRNA基因位于IR区.在五味子叶绿体基因组中共检测出47个简单重复序列和40个长重复序列.与一般被子植物叶绿体基因组相比,五味子叶绿体基因组IR区长度大约收缩10kb.IR区发生收缩的部分GC含量为37.4%,远小于IR区平均GC含量(45.7%).利用20个物种的53个共有蛋白质编码序列对五味子在被子植物中的系统发育位置进行了分析,结果表明五味子属与八角属为姊妹分支.对五味子叶绿体基因组序列进行分析,为五味子科物种鉴定、遗传多样性以及系统发育研究提供了数据基础.     

荷花玉兰叶绿体全基因组高通量测序及结构解析

荷花玉兰是重要的药用、观赏及园林绿化植物.应用454高通量测序技术对荷花玉兰叶绿体全基因组进行测序,解析了其基因组结构,并与近缘物种基因组进行了比较分析.荷花玉兰叶绿体基因组全长为159623bp,两个反向互补重复区(IRs)长26563bp,被分隔的大单拷贝区(LSC)和小单拷贝区(SSC)长度分别为87757和18740bp.成功注释129个叶绿体基因,其中18个基因含有内含子.基因的种类、数目以及GC含量等与其他木兰科物种相类似.生物信息学分析获得218个SSR位点,大多位点富含A-T,具有碱基偏好性.木兰科物种的重复基序类型和丰度相对保守,有利于开发叶绿体基因组载体.木兰亚纲植物叶绿体基因组的大小及IR区边界的变化与ycf1的长度密切相关.采用30个物种叶绿体基因组的66个共有蛋白编码基因构建系统发育树,对木兰属在被子植物中的进化位置进行了探讨.荷花玉兰叶绿体全基因组序列的获得和结构解析对优良品种培育、叶绿体基因组工程、木兰科物种分子标记开发及系统发育关系的研究具有重要价值.     

Patterns of Genomic Integration of Nuclear Chloroplast DNA Fragments in Plant Species

The transfer of organelle DNA fragments to the nuclear genome is frequently observed in eukaryotes. These transfers are thought to play an important role in gene and genome evolution of eukaryotes. In plants, such transfers occur from plastid to nuclear [nuclear plastid DNAs (NUPTs)] and mitochondrial to nuclear (nuclear mitochondrial DNAs) genomes. The amount and genomic organization of organelle DNA fragments have been studied in model plant species, such as Arabidopsis thaliana and rice. At present, publicly available genomic data can be used to conduct such studies in non-model plants. In this study, we analysed the amount and genomic organization of NUPTs in 17 plant species for which genome sequences are available. The amount and distribution of NUPTs varied among the species. We also estimated the distribution of NUPTs according to the time of integration (relative age) by conducting sequence similarity analysis between NUPTs and the plastid genome. The age distributions suggested that the present genomic constitutions of NUPTs could be explained by the combination of the rapidly eliminated deleterious parts and few but constantly existing less deleterious parts.     

药食同源植物薤白的谱系地理学研究

对我国14个地区的药食同源植物薤白（Allium macrostemon）的叶绿体基因片段（psbA-trnH、rps16和trnL-F）与核基因片段（ITS）进行测序分析,揭示薤白的遗传变异分布式样、单倍型地理分布格局,并推断其在第四纪冰期的避难所。结果表明：薤白叶绿体基因（cpDNA）遗传多样性低于核基因（nrDNA）遗传多样性（cpDNA：H_T=0.868;nrDNA：H_T=0.890）。cpDNA和nrDNA的分子变异分析（AMOVA）结果显示：薤白遗传变异主要发生在居群间（cpDNA：92.84%;nrDNA：98.40%）,存在遗传分化（cpDNA：N_st=0.918,G_st=0.866,F_st=0.928;nrDNA：N_st=0.984,G_st=0.855,F_st=0.984）,且N_st均大于G_st,表明该物种具有明显的谱系地理结构。在薤白居群中,共检测到11个叶绿体单倍型和14个nrDNA基因型;单倍型网络图及地理分布图表明,叶绿体单倍型H3、核DNA基因型H1频率最高,位于网络结构图的中心位置,可能为古老单倍型。此外,冰期避难所假说认为遗传多样性高、拥有古老单倍型和较多特有单倍型的区域可能是该物种的冰期避难所,因此推测薤白在第四纪冰期时可能在大盘山、天水和通化地区存在多个冰期避难所。这些分析可为类似草本植物的进化提供参考,丰富对东亚草本植物分子系统与生物地理学的认识。     

孑遗濒危植物矮扁桃叶绿体全基因组特征分析及亲缘关系鉴定

对第三纪孑遗濒危植物矮扁桃（Amygdalus nana）叶绿体全基因组进行结构特征分析,并探究其与近缘物种之间的系统进化关系。利用Illumina HiSeq Xten测序技术获取叶绿体全基因组序列,对其进行组装、注释和特征分析。结果表明：①矮扁桃叶绿体全基因组总长度为158 596 bp,其中LSC长度为86 771 bp,SSC长度为19 037 bp,2个IRs均为26 394 bp,为环状四分体结构。共注释130个基因,包括85个PCGs、37个tRNA和8个rRNA。②对6种植物进行IR边界区扩张和收缩分析,发现在4个边界区的基因类型和基因分布情况存在一定差异,并且亲缘关系越紧密差异程度越小。③在矮扁桃叶绿体全基因组中共预测了71个SSRs位点。④系统发育分析结果显示,在扁桃亚属中,矮扁桃在亲缘关系上与蒙古扁桃更近,而与长柄扁桃和榆叶梅的亲缘关系稍远。本研究对矮扁桃叶绿体全基因组进行了深度剖析,并且涉及大量被子植物的叶绿体全基因组资料,为桃属植物之间的进化关系和植物鉴定提供参考依据。     

A binary-BAC system for plant transformation with high-molecular-weight DNA

A binary-BAC (BIBAC) vector suitable for Agrobacterium-mediated plant transformation with high-molecular-weight DNA was constructed. A BIBAC vector is based on the bacterial artificial chromosome (BAC) library vector and is also a binary vector for Agrobacterium-mediated plant transformation. The BIBAC vector has the minimal origin region of the Escherichia coli F plasmid and the minimal origin of replication of the Agrobacterium rhizogenes Ri plasmid, and thus replicates as a single-copy plasmid in both E. coli and in A. tumefaciens. The T-DNA of the BIBAC vector can be transferred into the plant nuclear genome. As examples, a 30-kb yeast genomic DNA fragment and a 150-kb human genomic DNA fragment were inserted into the BIBAC vector; these constructs were maintained in both E. coli and A. tumefaciens. In order to increase the efficiency of transfer of unusually large BIBAC T-DNAs, helper plasmids that carry additional copies of A. tumefaciens virulence genes virG and virE were constructed. These helper plasmids are compatible with, and can be present in addition to, the BIBAC vector in the A. tumefaciens host. This report details the components of the BIBAC system, providing information essential to the general understanding and the application of this new technology.     

入侵豚草与本地植物竞争对丛枝菌根真菌多样性的影响

外来植物入侵常引起入侵地丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）多样性的变化,但AMF多样性的变化与入侵域本地植物种类相关性目前尚不清楚。本研究采用野外同质园试验研究豚草与不同本地植物竞争时对AMF多样性的影响。本试验共设入侵豚草单种、本地植物狗尾草Setaria viridis单种、藜 Chenopodium album单种、黄香草木犀Melilotus officinalis单种、豚草和狗尾草混种、豚草和藜混种、豚草和黄香草木犀混种以及裸土（无任何植物生长）对照8个处理。采集根区土样后分离、鉴定AMF,分析植株生物量和AMF物种多样性变化间的关系。结果表明,对豚草而言,单种处理中生物量均高于混种处理;豚草分别与3种本地植物竞争时,与黄香草木犀混种中豚草竞争能力最强,而与藜混种中竞争能力最弱。豚草分别与3种本地植物混种时土壤中AMF种丰度和香农-威纳指数分别显著高于豚草单种和本地植物单种,其中豚草与藜混种中AMF的种丰度和香农-威纳指数最高,与狗尾草混种中AMF的种丰度和香农-威纳指数最低,而豚草分别与3种本地植物混种处理中孢子密度显著低于本地植物单种（豚草与黄香草木犀混种除外）。豚草单种、狗尾草单种、藜单种、豚草分别与狗尾草和藜混种4个处理中AMF优势种均为网状球囊霉Glomus reticulatum和缩隔球囊霉Septoglomus constrictum;黄香草木犀单种中优势种是网状球囊霉、缩隔球囊霉和根内根孢囊霉Rhizophagus Intraradices,豚草与黄香草木犀混种中优势种是网状球囊霉和根内根孢囊霉;狗尾草单种、豚草与狗尾草混种和豚草与藜混种3个处理的特有种分别是木薯根孢囊霉Rhizoglomus manihotis、近明球囊霉Claroideoglomus claroideum和美丽盾巨孢囊霉Scutellospora calospora。狗尾草单种生物量与孢子密度呈显著正相关,豚草与狗尾草混种中豚草的生物量与均匀度呈显著负相关,豚草与黄香草木犀混种中豚草的生物量与孢子密度呈显著正相关,与香农威纳指数呈显著负相关。综上可知,豚草与本地植物竞争对AMF多样性的影响具有异质性,这与本地植物种类密切相关。     

NUPTs in sequenced eukaryotes and their genomic organization in relation to NUMTs

NUPTs (nuclear plastid DNA) derive from plastid-to-nucleus DNA transfer and exist in various plant species. Experimental data imply that the DNA transfer is an ongoing, highly frequent process, but for the interspecific diversity of NUPTs, no clear explanation exists. Here, an inventory of NUPTs in the four sequenced plastid-bearing species and their genomic organization is presented. Large genomes with a predicted low gene density contain more NUPTs. In Chlamydomonas and Plasmodium, DNA transfer occurred but was limited, probably because of the presence of only one plastid per cell. In Arabidopsis and rice, NUPTs are frequently organized as clusters. Tight clusters can contain both NUPTs and NUMTs (nuclear mitochondrial DNA), indicating that preNUPTs and preNUMTs might have concatamerized before integration. The composition of such a hypothetical preNUPT-preNUMT pool seems to be variable, as implied by substantially different NUPTs:NUMTs ratios in different species. Loose clusters can span several dozens of kbps of nuclear DNA, and they contain markedly more NUPTs or NUMTs than expected from a random genomic distribution of nuclear organellar DNA. The level of sequence similarity between NUPTs/NUMTs and plastid/mitochondrial DNA correlates with the size of the integrant. This implies that original insertions are large and decay over evolutionary time into smaller fragments with diverging sequences. We suggest that tight and loose clusters represent intermediates of this decay process.     

转座子在植物XY性染色体起源与演化过程中的作用

XY性染色体决定系统是决定植物性别的主要方式,但是对于其起源与演化机制却知之甚少。目前认为,携带控制雌蕊或雄蕊发育基因的一对常染色体由于某种未知原因的突变形成早期的neo-Y或neo-X性染色体,随着演化的进行,早期XY性染色体之间的重组逐渐受到抑制,非重组区域扩展最终形成异型的性染色体。研究发现,重复序列的累积以及DNA甲基化等因素都可能参与了XY性染色体的异染色质化、重组抑制及Y染色体体积增大过程。转座子作为一种基因组中含量最高的重复序列在性染色体演化中扮演了重要的角色,包括性染色体演化的起始激发,以及导致性染色体局部表观遗传修饰使其发生异染色质化扩展和重组抑制。文章综述了转座子在植物性染色体上的累积及其与性染色体异染色质化之间的关系,并简要分析了转座子在性染色体演化过程中的作用。     

朱砂根叶绿体全基因组解析及系统发育分析

基于Illumina平台对朱砂根和红凉伞叶绿体全基因组进行测序,利用生物信息学比较叶绿体基因组结构特征与变异程度,旨在明确朱砂根（Ardisia crenata）及红凉伞（Ardisia crenata var. bicolor）叶绿体基因组特征及差异,并与同科其他物种叶绿体全基因组进行比较分析,确定其在紫金牛属系统发育位置。结果表明,朱砂根和红凉伞均为由一个大单拷贝区（LSC）、一个小单拷贝区（SSC）和一对反向重复区（IRa/IRb）构成的环状四分体结构,注释得到132个基因,其重复序列的类型与分布模式相似,但数量有所差异。其中psbA、matK、rpoC2、ropB、ndhK、accD、ndhF、ndhD、ndhH及ycf1等基因的编码区存在差异,这些位点为朱砂根分子鉴定提供新位点。朱砂根及红凉伞叶绿体基因组具有较高保守性,叶绿体基因组之间没有重排或倒置,IR区序列变异最低,SSC区变异程度最高。系统发育树分析表明紫金牛科和报春花科为两个分支,朱砂根和红凉伞归为紫金牛科,且朱砂根与红凉伞亲缘关系最为密切,从分子水平为红凉伞作为朱砂根变种提供了科学解释。本研究解析了朱砂根及变种红凉伞叶绿体基因组结构,探讨了紫金牛科属间系统发育关系,也为紫金牛科药用植物分类鉴定、系统进化及资源开发利用研究奠定基础。