十字花科植物叶绿体基因组结构及变异分析

该研究比较了十字花科22个属22个物种的叶绿体基因组,以揭示十字花科叶绿体基因组的一般特征和变异特征。结果发现:(1)基因组大小为150kb左右,不同植物的叶绿体基因组之间存在1~5kb的差异,基因组大小的差异主要是大单拷贝(LSC)长度的差异引起的。(2)十字花科物种基因顺序基本一致,未检测到基因的重排和倒置事件。(3)trnY、trnG、ycf15、rps16基因在一些物种中发生丢失,petB、petD内含子序列也在个别物种内丢失。(4)基因组的4个边界相对保守,反向重复区a-大单拷贝区(IRa-LSC)边界处于rps19基因上,反向重复区a-小单拷贝区(IRa-SSC)边界在所有物种中均位于ycf1基因中,但是rps19和ycf1在边界两侧的长度具有差异,反向重复区b-小单拷贝区(IRb-SSC)边界在大部分物种中位于ycf1假基因和ndhF基因的重叠区内,而在庭荠(Alyssum desertorum)、小花南芥(Arabis alpina)2个物种中发生了改变,分别位于ycf1假基因和ndhF基因内。(5)29个蛋白编码基因长度发生变化,基因长度的变异来源于基因内含子或者编码区长度的改变,ycf1基因长度在3个物种中发生了大片段的缺失,部分基因长度的变化具有明显的系统发育信号。(6)基于叶绿体基因组数据构建的系统发育树具有较好的分辨率,各个进化分支具有较高的支持率。研究结果表明,利用叶绿体基因组数据可以为解决进化较快、系统发育分辨率低的植物类群的系统分类和系统发育关系提供更有力的证据。     

被子植物叶绿体基因组的结构变异研究进展

叶绿体是绿色植物特有的细胞器,其基因组信息被广泛应用于植物系统发育和比较基因组学研究。目前,越来越多的物种有了叶绿体全基因组序列,人们对叶绿体基因组的结构及其变异规律有了更深入的了解。该文对近年来国内外有关被子植物叶绿体基因组插入/缺失、短片段倒位与重复、基因组结构重排以及基因丢失等结构变异式样的研究进展进行综述,并分析了叶绿体基因组结构研究中仍存在的问题以及该领域未来的发展趋势。     

壳斗科植物叶绿体基因组结构及变异分析

利用生物信息学方法比较壳斗科6个属14个物种的叶绿体基因组间差异,以近缘物种榛为外类群构建系统进化树,揭示壳斗科叶绿体基因组的结构特征及变异规律。结果显示,14种壳斗科植物的叶绿体基因组均为双链环状分子结构,大小在160 kB左右,差异较小,最大仅差1 366 bp;基因顺序基本一致,而基因数量有所差异,infA、petG、rpl22、ycf1、ycf15等多个基因在部分物种中发生丢失;主要有32个蛋白编码基因长度发生变异,其原因是内含子的丢失、内含子或者编码区的长度改变,华南锥基因长度变异较大;4个IR边界相对保守,但锥栗、Castanea pumila、华南锥3个物种由于边界扩张导致rps19基因部分序列进入到IR区;以榛为外类群构建的系统发育树,各进化支支持率较高,分辨率较好。研究结果表明,叶绿体基因组可以用于分析关系较近与进化较快物种的系统发生问题,为系统发育和进化研究提供依据。     

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。     

叶绿体基因组结构与表达调控

植物叶绿体ＤＮＡ是存在核基因外的细胞质基因组,它是一种双链ＤＮＡ分子、在细胞内,与核基因协调编码与光合作用有关的蛋白质,叶绿体基因组中基因的结构与表达调控与原核生物相似,但也有一些区别,深入开展叶绿体基因组的基因,对探讨光合作用机理与细胞器的起源等问题具有重要意义。     

红边龙血树叶绿体基因组特征及其系统发育分析

红边龙血树(Dracaena marginata)是一种在全球广泛种植的龙血树属园艺植物,具有较高的观赏价值和药用价值。本研究首次利用高通量测序技术对红边龙血树叶片进行全基因组测序,组装得到完整的叶绿体基因组序列,并进行注释、序列特征比较和系统发育分析。结果表明,红边龙血树叶绿体基因组包含一个典型的四分体结构,长度为154926 bp,是目前已报道的龙血树属中叶绿体基因组最小的物种;共拥有132个基因,包含86个编码蛋白基因、38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存在偏好使用A/U碱基结尾的现象,整体上密码子偏好性较低;共鉴定出46个简单重复序列位点和54个长重复序列,分别在大单拷贝区与反向重复区有最大检出率;种间边界分析发现边界区域基因存在相对位置差异,扩张收缩情况总体较为相似;与近缘种进行系统发育分析,红边龙血树与细枝龙血树聚为一类,关系最近,符合形态学分类特征。对红边龙血树叶绿体基因组的解析为龙血树属植物的物种鉴定、遗传多样性和叶绿体转基因工程等提供了重要数据基础。     

臭柏叶绿体基因组结构与系统进化分析

以臭柏为研究材料,利用高通量测序技术对臭柏的叶绿体基因组进行测序,分析了臭柏叶绿体基因组结构特征及系统进化关系。结果表明:(1)臭柏叶绿体基因组由大单拷贝区、小单拷贝区和2个反向重复区构成,但反向重复区只有261bp;基因组全长157 739bp,包含119个基因,即82个蛋白编码基因、4个rRNA基因和33个tRNA基因,其中trnI-CAU和trnQ-UUG基因有2个拷贝,其他基因均为单拷贝,且多拷贝基因中仅trnQ-UUG位于反向重复区。(2)生物信息学分析表明,臭柏叶绿体基因组共有42 579个密码子,其中编码亮氨酸Leu的数量最多,相对同义密码子使用度最高的为AGA/UUA;在臭柏叶绿体基因组中共预测到47个SSR位点,单核苷酸、二核苷酸和三核苷酸数目分别为38、1和3个;臭柏与其他刺柏属植物相比较,其基因组大小、基因组成及GC含量相近。(3)采用RAxML软件最大似然法对杨柳科、松科、蔷薇科和柏科等共31种植物构建的系统进化树表明,臭柏与刺柏属内Juniperus bermudiana亲缘关系相对较近,整个刺柏属植物分支为单系类群。该研究丰富了臭柏的遗传信息,为臭柏种质资源评价和保育、分子育种、SSR分子标记的开发、遗传多样性和群体谱系地理研究等奠定了理论基础,同时也为构建柏科植物的系统进化提供了支持。     

越南金花茶叶绿体基因组分析

本研究通过高通量测序技术对越南金花茶(Camellia insularis Orel & Curry)的叶绿体(chloroplast, cp)基因组进行了测序。结果显示,越南金花茶叶绿体基因组长度为156 882 bp,包含132个基因,其中,88个编码蛋白质,36个编码tRNA,8个编码rRNA。密码子偏好性分析显示,编码亮氨酸的密码子数量最多,且第三位密码子显示出了较高的A/U偏好。此外,共鉴定出了67个简单重复序列(simple sequence repeats, SSR),发现越南金花茶SSR偏好使用A和T碱基。除了少数可变区域之外,越南金花茶与其近缘物种的叶绿体基因组反向重复(inverted repeat, IR)边界区域相当保守。系统发育分析表明,越南金花茶与云南金花茶(Camellia fascicularis)亲缘关系最近。金花茶是基因工程培育黄色山茶花的重要材料,本研究为叶绿体工程提供了基本的遗传信息,为深入研究金花茶组植物的进化、物种鉴定和基因组育种研究提供了宝贵的资源。     

叶绿体基因组与叶绿体基因表达的调节

对叶绿体基因组的测序和已鉴定出的叶绿体编码基因及不同水平上叶绿体基因表达的调控机制的研究进展进行了概述。     

白花刺续断野生居群的叶绿体全基因组特征解析

白花刺续断在中国西藏是一种常用的药用植物,但其叶绿体全基因组的相关研究较少。为揭示该物种叶绿体全基因组的基本特征并探讨其谱系遗传结构,该研究利用Illumina测序平台对来自5个野生居群的10个白花刺续断个体进行二代测序,经组装、注释,得到10条完整的叶绿体全基因组序列,并对它们的基因组特征和居群间的谱系进化关系进行了初步研究。结果表明：(1)白花刺续断的叶绿体全基因组大小为155 335～156 266 bp,共注释113个基因,包括72个蛋白编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因,其叶绿体基因组的大小、结构、GC含量及基因组成等方面在种内高度保守。(2)基因组比较分析表明,白花刺续断变异较大的片段均位于单拷贝区,且IR边界未出现明显的扩张和收缩。(3)群体遗传分析发现,白花刺续断的野生居群具有明显的地理遗传结构,不同居群间在遗传距离与地理距离上具有一定的相关性。研究认为,白花刺续断叶绿体基因组在种内居群水平上比较保守,且叶绿体基因组可在居群水平上揭示物种的地理遗传结构。这为后续开展刺续断属物种群体遗传学和系统发育基因组学研究奠定了基础。     

植物内生链霉菌Streptomyces sp. SAT1的基因组测序和比较基因组分析

【背景】一直以来,链霉菌都是活性物质的主要生产者,近年来随着抗生素滥用引起的环境和微生物抗药性问题越发严重,挖掘高效生物防治因子和新型抗生素成为了解决以上问题的重要手段。【目的】通过获得植物内生链霉菌SAT1全基因组序列和次级代谢基因簇信息,利用比较基因组学和泛基因组学分析SAT1菌株的特殊性以及与其他链霉菌的共性,为阐明SAT1抑菌和内生机制提供理论基础,为揭示链霉菌的生态功能提供可靠数据。【方法】通过三代测序平台PacBio Sequel完成SAT1基因组测序,利用生物信息学技术进行注释和功能基因分类;分别利用RAxML和PGAP软件进行系统发育树的构建和泛基因组分析;次级代谢基因簇的预测和分析通过antiSMASH网站完成。【结果】获得SAT1菌株的全基因组完成图,该菌线性染色体长度约7.47 Mb,包含有4个质粒,GC含量近73%,共预测到7 550个蛋白编码基因,含有37个次级代谢基因簇,分属29个类型,其中默诺霉素基因簇与加纳链霉菌具有较高相似性。42株代表链霉菌中,单个菌株次级代谢基因簇数量为20-55个,主要类型为PKS类、Terpene类和Nrps类,而且含有大量杂合基因簇,各个菌株中特有基因数目较为庞大。【结论】链霉菌SAT1菌株在基因组特点以及次级代谢基因簇的数量和类型上与其余41株链霉菌具有一定的共性,其中潮霉素B基因簇和默诺霉素基因簇合成的相关物质可能与SAT1抑菌活性密切相关。42株链霉菌中次级代谢基因簇数量的多少与基因组大小成正相关,同时大量杂合基因簇以及庞大的特有基因数目的存在说明链霉菌在长期进化过程中存在了很高程度的水平基因转移现象,可能具有重要的生态功能。     

Complete structure of the chloroplast genome of Arabidopsis thaliana.

The complete nucleotide sequence of the chloroplast genome of Arabidopsis thaliana has been determined. The genome as a circular DNA composed of 154,478 bp containing a pair of inverted repeats of 26,264 bp, which are separated by small and large single copy regions of 17,780 bp and 84,170 bp, respectively. A total of 87 potential protein-coding genes including 8 genes duplicated in the inverted repeat regions, 4 ribosomal RNA genes and 37 tRNA genes (30 gene species) representing 20 amino acid species were assigned to the genome on the basis of similarity to the chloroplast genes previously reported for other species. The translated amino acid sequences from respective potential protein-coding genes showed 63.9% to 100% sequence similarity to those of the corresponding genes in the chloroplast genome of Nicotiana tabacum, indicating the occurrence of significant diversity in the chloroplast genes between two dicot plants. The sequence data and gene information are available on the World Wide Web database KAOS (Kazusa Arabidopsis data Opening Site) at http://www.kazusa.or.jp/arabi/.     

副干酪乳杆菌PC-01全基因组测序及不同副干酪乳杆菌菌株比较基因组学分析

【背景】副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)作为乳酸菌中重要菌种之一,常被认为是优良益生菌开发的潜在资源。【目的】以L.paracasei PC-01和L.paracasei Zhang为例,分析不同L.paracasei的基因组差异和遗传背景,为菌株的鉴定和开发奠定基础。【方法】采用PacBioSMRT三代测序技术对L.paracasei PC-01进行全基因组测序,结合2株L.paracasei模式菌株和公开的36株全基因组数据,通过比较基因组学方法揭示39株L.paracasei菌株之间的差异。【结果】L.paracasei PC-01基因组不包含质粒,染色体大小为2 829 251 bp,GC含量为46.64%;L.paracasei Zhang包含一个质粒基因组大小为2 898 456 bp,GC含量为46.51%;不同L.paracasei菌株基因组大小、质粒数及GC含量均存在一定差异。L.paracasei群体为开放式基因组,基因组具有高度多样性。基于核心基因构建系统发育树对于L.paracasei种内区分效果最好,L.paracasei PC-...     

Complete structure of the chloroplast genome of a legume, Lotus japonicus.

The nucleotide sequence of the entire chloroplast genome (150,519 bp) of a legume, Lotus japonicus, has been determined. The circular double-stranded DNA contains a pair of inverted repeats of 25,156 bp which are separated by a small and a large single copy region of 18,271 bp and 81,936 bp, respectively. A total of 84 predicted protein-coding genes including 7 genes duplicated in the inverted repeat regions, 4 ribosomal RNA genes and 37 tRNA genes (30 gene species) representing 20 amino acids species were assigned on the genome based on similarity to genes previously identified in other chloroplasts. All the predicted genes were conserved among dicot plants except that rpl22, a gene encoding chloroplast ribosomal protein CL22, was missing in L. japonicus. Inversion of a 51-kb segment spanning rbcL to rpsl6 (positions 5161-56,176) in the large single copy region was observed in the chloroplast genome of L. japonicus. The sequence data and gene information are available on our World Wide Web database at http://www.kazusa.or.jp/en/plant/database.html.     

基于叶绿体基因组SNP的天台鹅耳枥谱系结构与分化分析

天台鹅耳枥为中国特有的濒危植物,仅间断分布于浙江省境内,种群数量稀少,已处于极危状态。该文通过对6个自然居群(包含所有居群的母株)叶绿体基因组(cpDNA)单核苷酸多态性(SNP)研究,探讨天台鹅耳枥谱系结构与系统分化,以评估濒危状况,并提出相应的保护策略。使用TIANGEN试剂盒法提取基因组DNA,用Illumina NovaSeq 6000进行高通量测序,对获得叶绿体全基因组序列,使用在线程序OGDRAW制作cpDNA图谱,用DnaSP分析核苷酸多样性,用PopART软件进行单倍型网络构建,使用RAxML软件构建极大似然树(ML tree),用MrBayes构建Bayes tree。结果表明：(1)通过天台鹅耳枥叶绿体全基因组序列分析,发现大多数蛋白质编码基因和氨基酸序列显示出明显的密码子偏好,检测到cpLTR正向重复32个、回文重复25个、反转重复22个;SSR重复序列不同类型87个,其中大多数富含A/T,单核苷酸的数量最多。(2)在cpDNA中鉴定了314条SNPs,单核苷酸取代显示天台鹅耳枥群体属单系,分为天台县居群(THS)和景宁县居群(JST),居群单倍型之间演化关系呈现...     

紫九牛叶绿体基因组密码子偏好性分析

为确定瑶药紫九牛叶绿体基因组密码子的使用模式及其成因,该研究以紫九牛叶绿体基因组50条蛋白质编码序列为研究对象,利用Codon W 1.4.2和在线软件CUSP和Chips分析其密码子偏好性。结果表明：(1)RSCU>1的密码子有29个,其中有28个以A/U结尾,说明叶绿体基因组的同义密码子中偏好以A/U结尾。(2)紫九牛叶绿体基因组密码子的GC含量GC₁(47.38%)>GC₂(39.81%)>GC₃(29.60%),ENC值大于45的有40个,说明紫九牛叶绿体基因组存在较弱的偏性。(3)中性绘图分析和ENC-plot分析说明了紫九牛叶绿体基因组密码子的偏好性既受到选择的作用,又受到突变因素的影响。(4)通过构建的高低基因表达库最终确定了15个最优密码子,分别为UUG、AUU、GUU、GUA、UCU、 CCU、ACU、ACA、GCU、CAA、AAC、GAA、UGU、CGU和GGU。该研究为紫九牛叶绿体基因组的确定以及遗传多样性分析提供了依据。