两种茶树全基因组数据的密码子偏好性比较分析

研究密码子偏好性有利于提高两种茶树外源基因表达水平及探讨遗传进化规律。该研究综合运用CodonW 1.4.2、SPSS 22.0软件以及Perl、Python语言,系统分析两种茶树基因组CDS序列,从而得出密码子偏好模式和高频密码子,明确密码子使用的变异来源。结果表明:两种茶树基因组的密码子偏好性主要受突变压力影响,在一定程度上也受到自然选择等因素的影响;两种茶树基因组倾向于使用以A/T结尾的密码子,且它们在密码子使用模式上具有较高的相似性;"云抗10号"(Camellia sinensis var. assamica, CSA)茶树基因的异源表达受体优先选择拟南芥、毛果杨和烟草,"舒茶早"(Camellia sinensis var. assmica, CSS)茶树基因的异源表达受体首选毛果杨。上述结果为分析两种茶树的进化规律、提高它们基因组中的基因异源表达效率提供了重要依据。     

多花海棠叶绿体基因组分析

多花海棠（Malus floribunda Siebold.）是世界范围内广泛栽培的苹果属物种,具有较高的观赏价值和育种意义。对其进行叶绿体基因组比较分析,有利于完善苹果属系统进化以及种质利用的研究内容。基于全基因组测序数据,组装获得一个完整的具有四分体结构的多花海棠叶绿体基因组。该基因组包括大单拷贝区（88 142 bp）、反向重复区B （26 353 bp）、小单拷贝区（19 189 bp）与反向重复区A （26 353 bp）,共计160 037 bp。多花海棠叶绿体全基因组共注释到111个基因,包括78个蛋白编码基因、29个tRNA基因和4个rRNA基因。此外,在其基因组中识别到大量的重复序列,与三叶海棠和变叶海棠略有差异。通过计算相对同义密码子使用度,发现其高频密码子共30种,并且密码子具有偏向A/T结尾的使用模式。种间序列比对、边界分析的结果表明,大单拷贝区序列变异较大,8种苹果属植物SC区与IR区扩张收缩情况整体上较为相似。基于叶绿体基因组序列的系统进化分析,将多花海棠、湖北海棠和变叶海棠聚为一类。多花海棠叶绿体基因组的研究可为今后遗传标记开发与种质资源利用等提供数据支持。     

桃叶珊瑚属植物的叶绿体基因组结构特征及系统发育分析

为确定桃叶珊瑚属(Aucuba)植物叶绿体基因组的结构及其序列变异,揭示其属下种间亲缘关系,该研究对桃叶珊瑚(A. chinensis)、花叶青木(A. japonica var. variegata)等6种桃叶珊瑚属植物和丝缨花属植物黄杨叶丝缨花(Garrya buxifolia)进行二代测序,利用生物信息学软件对其叶绿体基因组序列进行组装和注释,并进行基本特征分析、序列比较以及系统发育分析。结果表明:(1)桃叶珊瑚属植物叶绿体基因组具典型的环状四分体结构,6条序列全长157 891～158 325 bp,均编码114个基因,包括80个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因。(2)6种植物叶绿体基因组高频密码子数均为29个,偏好以A/U结尾,确定了这6条序列的最优密码子共100个,包含12个共有的最优密码子。(3)6条叶绿体基因组序列共检测到270条散在重复序列,133条串联重复序列以及412个SSR位点。(4)比较基因组学分析结果表明,该属植物叶绿体基因组序列高度保守。(5)从叶绿体基因组中筛选出10个高变片段。(6)系统发育分析结果显示支持桃叶珊瑚属为一个支持率较高的单系,与丝缨花属关系较近。该研究中的5种桃叶珊瑚属植物以及1种丝缨花属植物的叶绿体基因组均为首次测序组装,揭示了桃叶珊瑚属及其属下种间的系统发育关系,为桃叶珊瑚属植物的分类鉴定和系统发育提供了参考资料。     

梅花草属叶绿体基因组进化分析

叶绿体基因组序列变异和基因组成等特征可有效反映植物类群间的系统发育和进化关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对梅花草属（Parnassia）及其近缘属5种植物的叶绿体基因组进行测序和组装,同时基于已发表的近缘种叶绿体基因组信息,对梅花草属叶绿体基因组结构特征、序列遗传变异和蛋白编码基因密码子偏好性比对分析。结果显示：梅花草属叶绿体基因组整体结构较为保守,均为四分体结构;梅花草多个基因出现假基因化,而本属其他物种叶绿体基因组成一致,均编码115个基因;与近缘属物种相比,本属所有物种均丢失rpl16基因的内含子;蛋白质编码基因的非同义/同义替代率比值较低,叶绿体基因可能经历纯化选择作用;密码子偏好性聚类结果与蛋白编码序列重建的系统发育关系结果一致。本研究表明选择压力可能在梅花草属叶绿体基因组蛋白编码基因进化过程中发挥作用,有助于进一步理解梅花草属植物的进化和适应机制。     

伊犁郁金香叶绿体基因组密码子偏好性分析

目的：明晰伊犁郁金香叶绿体基因组密码子偏好性的使用模式。方法：以伊犁郁金香53条蛋白编码序列(CDS)为研究对象,使用CodonW1.4.2、CUSP等软件对其进行密码子组成分析、偏性影响因素分析、最优密码子筛选。结果：伊犁郁金香叶绿体基因组密码子的GC₁、GC₂、GC₃含量不同,其中GC₃的平均含量最低为27.15%,说明GC₃偏好以A/U结尾。有效密码子(ENC)值均大于35,表明密码子使用偏性较弱;通过中性绘图、PR2-plot和ENC-plot的分析,伊犁郁金香叶绿体基因组密码子使用偏好性主要受到自然选择的影响,同时受突变因素的影响。结论：伊犁郁金香叶绿体基因组共筛选到18个最优密码子可为后续野生郁金香资源开发、优良性状的遗传改良、外源基因表达及叶绿体工程育种等提供技术支撑和理论依据。     

普通油茶叶绿体基因组密码子偏好性分析

为了利用叶绿体基因工程技术改良普通油茶的重要经济性状,该研究以普通油茶叶绿体全基因组序列为材料,从中筛选出51条长度大于300 bp且以ATG起始的非重复CDS(Coding DNA Sequence)为对象,利用CodonW软件分析其密码子偏好性。结果表明:密码子第三位GC含量为27.55%,ENC范围在35.23~56.67之间,平均值为46.09;RSCU值大于1.00的密码子数目为30个,其中29个第三位碱基以U或A结尾;中性绘图表明GC12与GC3的相关系数为0.143,相关性不显著,回归系数为0.0573;频数分布显示,55%基因的ENC比值集中分布在0~0.1,25%基因的ENC比值分布在0.1~0.2之间;对应分析结果表明,第一向量轴占10.12%的差异,第二向量轴占9.36%的差异,其余两轴分别占7.97%和7.46%,前4轴累计差异为34.91%。中性绘图、ENC-plot和对应性分析均表明普通油茶叶绿体基因密码子偏好受突变作用,更多受选择的影响。最终取高表达优越密码子和高频密码子共有的CUU、AUU、GUU、GUA、UAA、CAA、AAA、GAC、GAA、CCU、ACU、GCU、GCA、UGU、CGU、AGU、UUG、GGU等18个密码子作为最优密码子。该研究结果为利用叶绿体基因工程技术改良普通油茶重要经济性状奠定了基础。     

白花除虫菊叶绿体基因组特征及系统发育研究

白花除虫菊(Tanacetum cinerariifolium)是全球唯一集约化种植的杀虫园艺作物,从其头状花序提取的天然除虫菊酯广泛应用于有机农业和家居害虫防控,具有极高的商业价值。本研究通过Illumina HiSeq 2500测序平台对白花除虫菊叶绿体基因组进行了测序,并对其结构特征及系统进化关系进行了分析。结果表明,白花除虫菊叶绿体基因组为典型的四分体结构,基因组大小为150 171 bp,包括84个蛋白质编码基因、 37个转运RNA基因和8个核糖体RNA基因;密码子偏好性分析发现其叶绿体基因组中密码子末端偏好以A和U结尾,其中亮氨酸的密码子是最常用的,其使用UUA密码子的频率最高,RSCU值为1.88。在其叶绿体基因组中鉴定到简单重复序列(simple sequence repeat, SSR)位点共41个,包含37个单核苷酸重复序列、 4个复合型核苷酸重复序列;基于菊科(Asteraceae)39个叶绿体基因组序列构建的系统发育树表明,其叶绿体基因组高度保守,除近缘红花除虫菊(T.coccineum)外,除虫菊类与同为菊科的植物蒿子杆(Ismelia carinata)亲缘...     

小红门兰属2种药用植物叶绿体基因组密码子偏好性分析

目的：明确2种兰科小红门兰属植物叶绿体基因组中密码子的使用偏好性,并探索其影响因素。方法：采用CodonW、CUSP、SPSS等软件,对2种兰科小红门兰属药用植物叶绿体基因组中的密码子进行选择分析。结果：通过对2种小红门兰属药用植物分析,发现2个物种叶绿体基因组密码子中的GC含量为35.8%～37.3%,有效密码子数目为47.10%～47.79%,表明其密码子偏好性较弱。中性绘图、ENC-plot、PR2-plot等研究结果显示,选择和突变是影响2种小红门兰属药用植物叶绿体基因组密码子使用偏好性的主要因素。通过比较相对同义密码子使用度RSCU值和ENC值,获得了65个最优密码子。2种小红门兰属药用植物密码子偏好使用A/T结尾,表明其密码子使用偏好性在很大程度上是由自然选择决定的。对其叶绿体基因组密码子的使用偏好性进行分析,并通过外类群聚类法进行验证,最终确定影响小红门兰属植物基因组密码子偏好的关键因子有9种：GUU、UCA、CCA、ACA、UAA、GAU、UGU、AGA、AGG。结论：本研究可为小红门兰属植物叶绿体基因组异源蛋白表达载体的构建与优化提供理论依据。     

马尾松叶绿体基因组密码子偏好性分析

密码子偏好性(codon usage bais, CUB)是指生物体中编码同一种氨基酸的同义密码子的非均衡使用现象。本研究以35对引物获得的马尾松叶绿体全基因组为研究对象,利用CodonW、CAT1.3、EMBOSS等软件对马尾松叶绿体基因组中45条编码序列(coding sequences, CDS)进行了CUB分析,并将之与火炬松、北美鹅掌楸、杉木、雪松以及拟南芥等的叶绿体基因组CUB进行比较分析。分析显示,参试物种的叶绿体基因组都偏好以AT碱基结尾的密码子,且不同物种的CUB的偏性程度不同;中性绘图分析、ENC-plot以及PR2-plot偏倚分析等均表明:马尾松叶绿体基因组CUB在密码子第三位点上A/G的使用频率较高,且受到了选择等因素的影响;利用叶绿体基因密码子RSCU值对参试物种进行聚类分析发现,亲缘关系较近的马尾松与火炬松、雪松聚为一类,三者具有类似的密码子使用模式,也说明叶绿体密码子偏好性与亲缘关系存在一定的相关性。因此,叶绿体基因组CUB研究可以为系统进化的相关研究提供相关依据。     

滇黄精叶绿体全基因组序列及其密码子使用偏性分析

为探究滇黄精(Polygonatum kingianum)叶绿体全基因组特征和密码子使用偏性,利用第二代测序技术对滇黄精嫩叶进行测序,再经组装与注释后得到其叶绿体基因组全序列,通过MISA、EMBOSS和CodonW等软件对滇黄精叶绿体全基因组的SSR位点、系统发育及密码子偏好性进行分析。结果表明,滇黄精完整叶绿体基因组长度为155 852 bp,基因组平均GC含量为37.7%,其大、小单拷贝区(LSC)长度分别为84 633和185 25 bp,反向重复区长度为26 347 bp,注释了132个基因,包括86个蛋白编码基因、38个tRNA基因和8个核糖rRNA基因。叶绿体基因组中共有69个SSR位点,绝大多数属于单碱基重复的A/T类型。系统发育分析表明滇黄精与格脉黄精(P. tessellatum)亲缘关系近,可能与分布地域有关。密码子偏好性分析表明,滇黄精叶绿体基因组密码子使用模式受到自然选择影响大于突变因素,最终确定9个最优密码子。因此, 滇黄精叶绿体基因组遗传结构和系统发育位置及其密码子偏倚的分析,为叶绿体基因工程研究提供理论依据。     

沙枣叶绿体全基因组序列及其使用密码子偏性分析

该研究以2株野生沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn.)嫩枝经温室水培后的嫩叶为材料,采用CTAB法分别提取总DNA,并利用第二代测序技术进行总DNA从头测序,组装后得到2株沙枣叶绿体基因组全序列,并详细分析了其蛋白质编码基因密码子使用的偏好性及其原因,为沙枣叶绿体基因工程和分子系统进化等研究奠定基础。结果显示:(1)组装得到沙枣叶绿体基因组序列全长150 546 bp,由长度为81 113 bp的长单拷贝(LSC)区域和25 494 bp的短单拷贝(SSC)区域,以及1对分隔开它们的长18 445 bp的反向重复序列(IRS)组成;注释共得到132个基因,包括86个蛋白编码基因、38个tRNA基因和8个rRNA基因。(2)沙枣叶绿体基因组蛋白编码基因密码子的第三位碱基GC含量(GC_3)为28.47%,明显低于整个叶绿体基因组GC含量(37%),也低于第一位(GC_1)和第二位(GC_2)碱基的GC含量,说明密码子对AT碱基结尾有偏好性;其中, UCU、CCU、UGU、GCU、CUU、GAU、UCA和UAA为最优密码子。(3)同义密码子相对使用频率(RSCU)分析发现,影响密码子使用模式的因素并不单一,密码子的偏好性受到突变、选择及其他因素的共同影响,并且自然选择表达引起的序列差异比突变对密码子偏好性的影响要显著;中性绘图分析、有效密码子数(ENC-plot)分析和奇偶偏好性(PR2-plot)分析表明,沙枣叶绿体基因组使用密码子的偏性受选择的影响更大。(4)通过最大似然法、最大简约法和贝叶斯方法对胡颓子科6个物种和1个枣的叶绿体基因序列构建系统发育树,与它们使用密码子偏性聚类的结果一致,表明叶绿体基因组使用密码子偏性与物种的亲缘关系相关。     

樟树叶绿体基因组密码子偏好性分析

为分析樟树(Cinnamomum camphora)叶绿体基因组密码子偏好性使用模式,该研究利用CodonW、EMBOSS、R语言等软件和程序,对53条樟树叶绿体基因组密码子使用模式及偏好性进行了系统分析。结果表明:樟树叶绿体基因的有效密码子数(ENC)在36.82～59.30之间,表明密码子的偏好性较弱。相对同义密码子使用度(RSCU)分析发现RSCU>1的密码子有32个,其中28个以A、U结尾,表明第3位密码子偏好使用A和U碱基。中性绘图分析发现GC₃与GC₁₂的相关性不显著,回归曲线斜率为0.049,说明密码子偏好性主要受到自然选择的影响。ENC-plot分析发现大部分基因落在曲线的下方,同样表明选择是影响密码子偏好性的主要因素。该研究发现共有9个密码子(UUU、CUU、UCA、ACA、UAU、AAU、GAU、UGA、GGA)被鉴定为樟树叶绿体基因组的最优密码子。     

亚心型扁藻叶绿体psbA基因的克隆及序列分析

psbA基因是叶绿体基因组中一个重要的光调控基因,编码光和系统Ⅱ反应中心的D1蛋白。根据叶绿体基因组序列高度保守的特性,利用菜茵衣藻（Chlamydomonasreinhardtii）psbA基因的保守序列（基因登录号：HQ667991．1）设计引物,采用PCR步移的方法从亚心型扁藻（Platymonassubcordiformis）基因组DNA中克隆到psbA基因全长（基因登录号：KF528742）。序列分析表明,亚心型扁藻psbA基因全长1939bp,编码区长度为1062bp,推导编码353个氨基酸,包括4个赖氨酸残基。有效密码子数显示脚删基因具有明显的密码子偏好性,并且偏好使用以A／T结尾的密码子。相对同义密码子使用度表明25个密码子在编码使用时具有偏好性,其中20个密码子以A／T碱基结尾,占到80％。其终止密码子使用了TAG。     

皱边喉毛花及其近缘物种的叶绿体基因组结构与进化分析

为重建喉毛花属下系统发育关系,明晰属下皱边喉毛花及其近缘种之间的物种关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对12 个叶绿体基因组进行双末端测序,获得大量高质量的Clean reads用于后续生物信息学分析。结果表明：（1）喉毛花属下物种的基因组差异较小,均在150 kb左右,基因总数为131 个,其中编码基因81 个。IR区核苷酸多态性比SC低,编码区比非编码区更保守。（2）进化分析结果显示,几乎所有的编码基因受到纯化选择的作用。（3）密码子偏好性分析表明有35 个密码子的RSCU值均大于1,说明使用这些密码子的频率较高,各项密码子偏好性衡量指标说明喉毛花属物种的密码子偏好性较弱。（4）系统发育分析表明CDS、密码子位置与基因间隔区数据集构建的系统发育树具有高度一致的拓扑结构,大部分分支的支持率高。这些结果表明皱边喉毛花及其近缘种的叶绿体基因组无明显差异,在系统发育树上无法按物种聚类,也为后续展开喉毛花属下群体遗传学研究提供科学依据。     

红锥叶绿体基因组特征及系统发育分析

为确定红锥(Castanopsis hystrix)叶绿体基因组的结构组成情况,判定其在锥属中的进化位置及与同锥属叶绿体基因组的区别,为锥属物种鉴定、遗传多样性分析和资源保护提供相关依据。使用Illumina HiSeq 2500测序平台对红锥叶绿体基因组进行测序,通过生物信息学分析方法进行序列组装、注释和特征分析,并利用R、Python、MISA、CodonW和MEGA 6等生物信息学软件对其基因组结构和数目、密码子偏好性、序列重复、简单重复序列(simple sequence repeat,SSR)位点和系统发育进行分析。结果表明红锥叶绿体基因组大小为153754 bp,呈现四分体结构;共拥有130个基因,包含85个编码基因、37个tRNA基因和8个rRNA基因;通过密码子偏好性分析,平均有效密码子数为55.5,说明其密码子随机性强、偏好性低;通过SSR及长重复片段分析,检测到45个重复序列及111个SSR位点;与近缘种比较,发现其叶绿体基因组序列高度保守,尤其蛋白质编码序列相似度极高;此外,系统发育分析发现红锥与海南锥聚为一支,关系密切。本研究得到了红锥的叶绿体基因组基本情况与系统发育位置,为红锥的物种辨别、天然种群遗传多样性与功能基因组学提供前期研究铺垫。     

紫花苜蓿叶绿体基因组密码子偏好性分析

为分析紫花苜蓿叶绿体基因组密码子偏好性的使用模式,该文以紫花苜蓿叶绿体基因组中筛选到的49条蛋白质编码序列为研究对象,利用CodonW、CUSP、CHIPS、SPSS等软件对其密码子的使用模式和偏好性进行研究。结果表明:(1)紫花苜蓿叶绿体基因的第3位密码子的平均GC含量为26.44%,有效密码子数(ENC)在40.6～51.41之间,多数密码子的偏好性较弱。(2)相对同义密码子使用度(RSCU)分析发现,RSCU>1 的密码子数目有30个,以A、U结尾的有29个,说明了紫花苜蓿叶绿体基因组A或U出现的频率较高。(3)中性分析发现,GC3与 GC12的相关性不显著,表明密码子偏性主要受自然选择的影响; ENC-plot 分析发现一部分基因落在曲线的下方及周围,表明突变也影响了部分密码子偏性的形成。此外,有17个密码子被鉴定为紫花苜蓿叶绿体基因组的最优密码子。紫花苜蓿叶绿体基因组的密码子偏好性可能受自然选择和突变的共同作用。该研究将为紫花苜蓿叶绿体基因工程的开展和目标性状的遗传改良奠定基础。     

糜子叶绿体基因组密码子使用偏性的分析

密码子使用偏性（CUB）是生物体重要的进化特征,对研究物种进化、基因功能以及外源基因表达等具有重要科学意义。本研究利用糜子（Panicum miliaceum L.）叶绿体基因组中筛选出的53条蛋白编码序列,对其密码子使用模式及偏性进行了分析。结果表明,糜子叶绿体基因的有效密码子数（ENC）在37.14~61之间,多数密码子的偏性较弱。相对同义密码子使用度（RSCU）分析发现,RSCU > 1的密码子有32个,其中28个以A、U结尾,表明第3位密码子偏好使用A和U碱基。中性分析发现,GC₃与GC₁₂的相关性不显著,回归曲线斜率为0.2129,表明密码子偏性主要受到自然选择的影响;而ENC-plot分析发现大部分基因落在曲线的上方及周围,表明突变也影响了密码子偏性的形成。进一步的对应性分析发现,第1轴为主要影响因素,解释了17.92%的差异,其与ENC、GC_3S值的相关性均达到显著水平,但与CBI、GC_all不相关。最后,9个密码子被鉴定为糜子叶绿体基因组的最优密码子,糜子叶绿体基因组的密码子使用偏性可能受选择和突变共同作用。     

澳洲坚果光壳种叶绿体基因组的密码子使用偏好性及其影响因素分析

为确定澳洲坚果光壳种(Macadamia integrifolia Maiden&Betche)叶绿体基因组密码子偏好性形成的主要影响因素,本研究通过其叶绿体基因组的51条蛋白编码序列,系统分析其密码子的使用模式及其特征.密码子偏好性参数分析结果显示,叶绿体基因密码子3位碱基的GC含量次序为GC1>GC2>GC3;有效...     

Comparative studies on codon usage pattern of chloroplasts and their host nuclear genes in four plant species

A detailed comparison was made of codon usage of chloroplast genes with their host (nuclear) genes in the four angiosperm speciesOryza sativa, Zea mays, Triticum aestivum andArabidopsis thaliana. The average GC content of the entire genes, and at the three codon positions individually, was higher in nuclear than in chloroplast genes, suggesting different genomic organization and mutation pressures in nuclear and chloroplast genes. The results of Nc-plots and neutrality plots suggested that nucleotide compositional constraint had a large contribution to codon usage bias of nuclear genes inO. sativa, Z. mays, andT. aestivum, whereas natural selection was likely to be playing a large role in codon usage bias in chloroplast genomes. Correspondence analysis and chi-test showed that regardless of the genomic environment (species) of the host, the codon usage pattern of chloroplast genes differed from nuclear genes of their host species by their AU-richness. All the chloroplast genomes have predominantly A- and/or U-ending codons, whereas nuclear genomes have G-, C- or U-ending codons as their optimal codons. These findings suggest that the chloroplast genome might display particular characteristics of codon usage that are different from its host nuclear genome. However, one feature common to both chloroplast and nuclear genomes in this study was that pyrimidines were found more frequently than purines at the synonymous codon position of optimal codons.