叶绿体基因组研究进展

作为植物细胞器的重要组成部分和光合作用的器官,叶绿体在生物进化的漫长历史中发挥了重要作用.伴随着生物技术的深入发展,人们发现叶绿体基因组结构和序列的信息在揭示物种起源、进化演变及其不同物种之间的亲缘关系等方面具有重要价值.与此同时,比核转化具有明显优势的叶绿体转化技术在遗传改良、生物制剂的生产等方面显示出巨大潜力,而叶绿体基因组结构和序列分析则是叶绿体转化的基石.基于叶绿体的这些重要作用,收集整理了有关的资料,从几个方面归纳了本领域最近的研究进展,希望能使读者对迅速发展的叶绿体基因组研究有更全面的了解,以及对叶绿体基因组在物种的进化、遗传、系统发育关系等方面的作用有更深刻的认识,同时也希望对叶绿体转化技术的研究和广泛应用产生积极作用.     

丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析

为了理清丝兰属（Yucca）叶绿体基因组特征和序列变异情况,进行丝兰属植物叶绿体比较基因组学分析,并构建基于叶绿体基因组的系统发育树。利用高通量测序技术获得无刺龙舌兰（Y. treculeana）叶绿体基因组序列,结合丝兰属现已发表的叶绿体基因组,使用生物信息学方法对6种丝兰属植物叶绿体全基因组进行基本结构、重复序列、边界收缩与扩张以及序列变异分析等在内的比较基因组学研究,并进行系统发育分析。结果表明：6种丝兰属植物叶绿体基因组大小、基因的类型及数目相近,种间基因组结构比较保守;从丝兰属植物叶绿体基因组中检测到多条重复序列,其中SSR位点多是由单核苷酸、双核苷酸和四核苷酸组成,且偏好使用A、T碱基;根据核酸多态性指数π≥0.008,在6种丝兰属植物叶绿体基因组中筛选出了psbK-psbl-trnS-GCU、rpl20-rps12和ccsA-ndhD 3个高变异区域;基于叶绿体全基因组和LSC+SSC区序列构建的系统发育关系基本一致,确定了6种丝兰属植物间的系统发育关系,其中无刺龙舌兰与克雷塔罗丝兰（Y. queretaroensis）的亲缘关系最近。本研究测序获得了无刺龙舌兰叶绿体基因组,揭示了6种丝兰属植物叶绿体基因组特征和序列变异情况,明确了各物种间的亲缘关系,研究结果可为后续丝兰属植物分子标记开发及系统发育研究提供参考。     

利用叶绿体基因组数据解析锦葵科梧桐亚科的系统位置和属间关系

分子系统学研究将传统梧桐科与锦葵科、木棉科和椴树科合并为广义锦葵科,并进一步分为9个亚科.然而,9个亚科之间的关系尚未完全明确,且梧桐亚科内的属间关系也未得到解决.为了明确梧桐亚科在锦葵科中的系统发育位置,厘清梧桐亚科内部属间系统发育关系,该研究对锦葵科8个亚科进行取样,共选取55个样本,基于叶绿体基因组数据,采用最大...     

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。     

宽叶羌活和青海当归叶绿体全基因组序列比较分析和系统发育关系

以青藏高原两种特有药用伞形科植物为材料,对其叶绿体基因组进行比较研究,结果显示：宽叶羌活和青海当归的叶绿体基因组长度分别为142 184 bp、146 952 bp, GC含量分别为37.4%、37.60%,共有基因123、127个,SSR位点208、219个。系统发育分析显示青海当归与其他当归属植物同属一支且自展值为100,与宽叶羌活支持率不高。研究结果充实了药用植物的叶绿体基因组数据库,对伞形科属间水平关系提供了更多的系统发育数据。     

高山特有植物丽江棱子芹的叶绿体基因组结构和系统发育关系

本文基于高通量技术对丽江棱子芹(Pleurospermum foetens)的叶绿体基因组进行测序,并对丽江棱子芹的叶绿体基因组结构特征及其系统进化关系进行了分析。结果表明,丽江棱子芹的叶绿体基因组具备典型的四分体结构,基因组全长155 057 bp,包含87个蛋白编码基因、 8个核糖体RNA基因和39个转运RNA基因。生物信息学分析结果显示,叶绿体基因组共编码26 075个密码子,编码异亮氨酸Ile的ATT数量最多,除终止子外编码半胱氨酸Cys的TGC数量最少,相对同义密码子使用度最高的为UUA,最少的是AGC; SSR位点共预测到了34个,包括单核苷酸重复序列27个,双核苷酸重复序列4个,以及复合型重复序列3个。丽江棱子芹与棱子芹属(Pleurospermum)其他植物相比较,其基因组大小、基因类型及GC含量相近。利用IQ-TREE软件构建最大似然树,结果表明丽江棱子芹与线裂棱子芹(P.linearilobum)的亲缘关系最近,棱子芹属为多系类群。该研究丰富了丽江棱子芹叶绿体基因组的遗传信息,为丽江棱子芹的分子标记的开发、遗传多样性和谱系地理研究等奠定了理论基础,同时也为构建伞形科...     

木芙蓉三个品种及近缘种的叶绿体基因组比较分析

木芙蓉(Hibiscus mutabilis)栽培历史悠久,是原产中国的古老园林树种和药用植物。为了探讨木芙蓉品种及近缘种的进化特征,厘清木芙蓉品种间及其与近缘种间的亲缘关系,以及探究木芙蓉叶绿体基因组(chloroplast DNA, cpDNA)的遗传方式,该文选择了一个杂交组合中的3个木芙蓉栽培品种(‘单瓣白’‘金秋颂’‘牡丹粉’),用高通量测序平台Illumina NovaSeq对其cpDNA进行首次测序。经组装注释后得到3条完整的cpDNA序列,结合该团队已经完成的近缘种台湾芙蓉(H.taiwanensis)和来自基因库的木槿、朱槿的cpDNA,对木槿属4种及木芙蓉种下的3个品种进行了cpDNA组成和结构特征的比较分析,并完成了其系统发育树重建。结果表明：(1)‘单瓣白’‘金秋颂’‘牡丹粉’的cpDNA序列长度分别为160 880、160 879、160 920 bp,基因数目均为130个,其中蛋白编码基因85个、核糖体RNA 8个和转运RNA 37个。(2)比较分析结果显示,木芙蓉的种下3个品种及其近缘种台湾芙蓉在cpDNA上高度保守,反向重复区(IR)均为26 300 b...     

同域分布的3种木蓼属植物叶绿体基因组比较

刺木蓼(Atraphaxis spinosa)、额河木蓼(A. jrtyschensis)和细枝木蓼(A. decipiens)是同域分布在我国新疆北部的3种木蓼属物种。通过二代高通量测序,对叶绿体基因组进行组装和注释,比较3个物种的叶绿体基因组差异并进行系统发育分析。结果表明,木蓼属3个物种的叶绿体全基因组大小为164 106–164 216 bp,与其它绿色植物类似,由1个大单拷贝区(LSC)、1个小单拷贝区(SSC)及介于二者之间的2个反向重复区(IRa/IRb)组成。在刺木蓼、额河木蓼和细枝木蓼中检测到48–49个串联重复序列及59–63个简单重复序列(SSR)。3个物种的核苷酸多样性平均值为0.000 96,Ka/Ks平均值为0.030 3,遗传距离平均值为0.001 0。通过对3个物种的叶绿体基因组进行比较,发现编码区比非编码区更保守。系统发育分析结果显示3个物种的亲缘关系较近。该研究基于叶绿体基因组对木蓼属物种的亲缘关系进行分析,揭示了3个同域分布的物种之间的亲缘关系以及木蓼属在蓼科中的系统位置。研究结果可为木蓼属的分类学、系统学和生物地理学研究提供参考。     

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。     

珍稀濒危植物越南小花金花茶的叶绿体基因组特征分析

越南小花金花茶(Camellia minima)是一种珍稀濒危的金花茶组植物,目前尚未有其叶绿体基因组的相关研究。该研究利用Illumina HiSeq 2000平台对越南小花金花茶进行了叶绿体基因组序列的测序、组装、注释和分析。结果表明：(1)越南小花金花茶叶绿体基因组全长156 961 bp,为典型的四分体结构,共注释到136个基因,其中包含87个蛋白编码基因、41个tRNA基因和8个rRNA基因。(2)分析鉴定出66个SSR位点和39个重复序列。(3)密码子偏好使用以A/U结尾的密码子,综合有效密码数(ENC)绘图、PR2-plot和中性分析推测自然选择是影响密码子使用模式的主导因素。(4)边界分析显示ycf1基因的长度和位置在不同金花茶组植物间存在差异。(5)对已发表的金花茶组植物叶绿体基因组的系统发育分析发现越南小花金花茶与小花金花茶聚为一支,亲缘关系最近。该研究结果为探索物种进化和提高外源基因表达提供了重要的参考信息,同时为后续的金花茶组植物的保护和利用提供了理论基础。     

基于全叶绿体基因组分析的栽培黄草乌基源研究

为探究云南伤科用毒性药材黄草乌(Radix Aconitum Vilmoriniani)栽培品质量的影响因素，该研究利用Illumina HiSeq 4000高通量测序平台对来自10个不同栽培基地黄草乌样品的叶绿体基因组展开测序，经过对测序数据的组装、注释，利用生物信息学工具对其叶绿体基因组特征展开分析并构建系统发育树。结果表明：(1)10个栽培品的叶绿体基因组全长155 744～155 937 bp,大单拷贝区和小单拷贝区分别为86 363～86 548 bp、16 921～17 007 bp,反向重复区大小为26 170～26 236 bp,均注释到131个基因。(2)序列鉴定出60～73个SSR位点，基因组比较分析发现，10个栽培品叶绿体基因组显示出一定的扩张，并在其中发现了trnK-UUU-trnQ-UUG等变异热点区域。(3)基于2个数据集的系统发育分析均表明，JS-1-4、QJ-1-2、LX-1-3、LJ-3-2与黄草乌(Aconitum vilmorinianum)亲缘关系较近；LQ-1-3、GJ-1-3、NL-1-3、DC-2-2和滇南草乌(A.austroyunnan...     

基于核基因和叶绿体基因序列的杏属系统发育分析——探讨洪平杏的起源和亲缘关系

洪平杏(Armeniaca hongpingensis C. L. Li)是杏属的一个狭域分布种,基于形态观察被推测为杏(A.vulgaris Lam.)和梅(A. mume Sieb.)的天然杂交种,但目前尚无该种与杏、梅亲缘关系的分子系统学研究。本文以洪平杏的成株和实生苗以及包括杏、梅在内的6种(含1变种)杏属植物为研究材料,分别采用核基因(ITS和SBEI)和叶绿体基因(mat K和ycf1b)序列构建系统发育树,并采用mat K、ycf1b和SBEI基因序列构建单倍型网络图,探讨该物种与杏、梅及杏梅(A. mume Sieb. var. bungo Makino)之间的亲缘关系。基于核基因和叶绿体基因序列分别构建的系统发育树均显示,洪平杏的成株及其全部实生苗个体单独聚为一支,且具有较高的支持率(分别为99/79、71/81),独立于杏属其他种之外。而基于核基因ITS序列的系统发育分析结果表明,洪平杏除极少数成株与杏、杏梅聚为一支外,其余所有成株与实生苗聚为2大支(支持率分别为0.82和0.97),而没有克隆的与梅聚在一起。单倍型分析结果表明,该物种的成株与实生苗在SBEI和ycf1b基因序列中均未检测到杏或梅的单倍型,仅有少数(2/9)的实生苗个体在叶绿体mat K基因序列中检测到杏的单倍型。研究结果不支持将洪平杏定为杏和梅的天然杂交种的观点,推测洪平杏应为一个独立的物种,与杏之间的亲缘关系更近并且存在可检测到的基因流。     

长爪栘[木衣]叶绿体基因组特征系统发育及密码子偏好性分析

长爪栘[木衣](Docynia longiunguis Q.Luo & J.L.Liu)是我国特有的栘[木衣]属植物,具有较高的食药用价值.对其叶绿体基因组进行分析,有助于阐明栘[木衣]属内的系统发育关系,为长爪栘[木衣]资源的开发利用及进一步研究奠定基础.结合其近缘种云南移[木衣]叶绿体基因组数据,在进行全序列比对后...     

基于叶绿体全基因组的云南樱花品种‘红霞''的种系分析

云南樱花品种‘红霞’(Cerasus‘Hongxia’)广泛种植于滇中地区，3月开花，半重瓣至重瓣，粉红色，观赏价值较高。‘红霞’曾被认为是红花高盆樱(C.cerasoides var.rubea)的园艺品种，而其分子标记结果却聚在钟花樱(C.campanulata)种系，可见‘红霞’的种系归属存疑，对今后的育种及栽培极为不利。为探索‘红霞’的种系问题，该研究以‘红霞’的叶片DNA为材料，应用Illumina软件对叶绿体基因组特征进行测序，通过SPAdes 3.13.0、Gapcloser 1.12和CPGAVAS2 2.0软件进行组装、注释，之后使用MISA和Geneious 10.0软件对叶绿体基因组特征进行分析，并使用RAxML 8.0软件构建Cerasus分支系统发育树，分析‘红霞’在樱属植物的系统关系。结果表明：(1)‘红霞’的叶绿体全基因组长度为157 832 bp,鸟嘌呤(Guanine)、胞嘧啶(Cytosine)含量为36.73%,包含一对反向重复(inverted repeat sequence, IR, 26 381 bp)区，由小单拷贝(short single...     

矮生羽扇豆品种‘画廊’的组织培养和快速繁殖

1植物名称羽扇豆矮生品种‘画廊’（Lupinhis polyphyllus Lindl cv．‘gallery’）。2材料类别种子、根茎。3培养条件种子萌发培养基：（1）MS;生根培养基：（1）MS,（2）1／2MS,（3）MS＋NAA0．1mg·L-1（单位下同）;增殖培养基：（4）MS＋6-BA0．1＋NAA0．01,（5）MS＋6-BA0．2＋NAA0．02,（6）MS＋6-BA0．5＋NAA0．05。培养基中附加0．6％琼脂和3％蔗糖,pH5．8。     

NaCl胁迫对杂交狗牙根品种‘苏植2号’和‘Tifgreen’生长及Na＋和K＋积累的影响

对0（对照）和20g·L-1NaCl胁迫条件下杂交狗牙根（Cynodondactylon×C.transvaalensis）品种‘苏植2号’（‘SuzhiNo.2’）和‘Tifgreen’不同部位的生长状况以及Na＋和K＋积累的差异进行了研究,并分析了2个品种间Na＋、K＋转运调控机制的差异。结果显示：在NaCl胁迫条件下,2个品种的叶片相对枯黄率、地下茎和根系的相对干质量、叶片和根系的Na＋含量和Na＋/K＋比以及钠钾选择性转运系数增加;修剪茎叶及冠层和地上部的相对干质量、植株相对总干质量以及叶片和根系的K＋含量均降低,但茎叶含水量无显著变化。NaCl胁迫条件下,不同土层中2个品种的根系相对干质量均不同程度增加,且20-40和40-60cm土层中根系干质量的增幅大于0-20cm土层;在0-20cm土层中2个品种根系的分配比例均有所降低,而在20-40和40-60cm土层中则不同程度提高。与‘Tifgreen’相比,NaCl胁迫条件下‘苏植2号’叶片相对枯黄率、Na＋含量和Na＋/K＋比更低,修剪茎叶及冠层和地上部的相对干质量、植株相对总干质量、叶片K＋含量和钠钾选择性转运系数更高;在20-40和40-60cm土层中‘苏植2号’根系相对干质量显著高于‘Tifgreen’,根系分配比例总体也高于‘Tifgreen’。综合比较结果表明：‘苏植2号’的抗盐性强于‘Tifgreen’,可能与其深层根系分配量更高和钠钾选择性转运能力较强有关。     

不同施肥处理对桂花品种‘浦城丹桂’幼苗生长和生理的影响及施肥成本分析

采用L9(33)设置3因素(包括氮、磷和钾肥)3水平(N单株施用量分别为0、10和20 g,P2O5单株施用量分别为0、4和8 g,K2 O单株施用量分别为0、6和12 g)正交实验,在2015年3月和4月分2次施肥,对9个施肥处理组施肥前后2年生桂花品种‘浦城丹桂’( Osmanthus fragrans ‘Pucheng Dangui’)幼苗的生长和生理指标进行测定;并采用Pearson相关性分析法和回归分析法分别对各指标间的相关性以及各生长指标与施肥成本的关系进行分析。结果表明：与对照组( N、P2 O5和K2 O单株施用量均为0 g)相比,各处理组幼苗的株高和地径增长量及全株干质量总体上显著提高(P<0.05)。3月份至10月份,各处理组幼苗叶片的叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)含量总体呈先升高后降低的变化趋势,并在12月份明显升高;而施肥后(6月份至12月份)各处理组叶片的Chla/Chlb比值总体呈先降低后升高的变化趋势,并且在12月份显著高于对照组。施肥后,各处理组叶片的SOD和POD活性及可溶性蛋白质含量也呈先高后低的变化趋势。相关性分析结果表明：施肥后,全株干质量与株高增长量和地径增长量呈极显著正相关(P<0.01),并与POD活性呈显著负相关;株高增长量与地径增长量和Chla/Chlb含量比值分别呈极显著和显著正相关;Chla含量与Chlb含量和可溶性蛋白质含量分别呈极显著和显著正相关。回归分析结果表明：单株施肥成本与幼苗的株高增长量和地径增长量及全株干质量均呈线性关系,且均呈极显著正相关;其中, A8(N、P2O5和K2O单株施用量分别为20、8和6 g)和A7(N、P2O5和K2O单株施用量分别为20、4和0 g)处理组的幼苗生长指标较高且差异不明显,但A8处理组的单株施肥成本高于A7处理组。研究结果表明：氮、磷和钾肥合理配施能够有效调节‘浦城丹桂’幼苗叶片的光合色素含量和抗氧化酶活性,并可促进幼苗生长。综合考虑施肥成本和生长指标,单株分别施用N和P2 O520和4 g较适宜‘浦城丹桂’幼苗的生长。     

根据叶绿体ndhF和核核糖体DNA序列推断梓属(紫葳科)的系统发育

Phylogenetics of Chilopsis and Catalpa (Bignoniaceae) was elucidated based on sequences of chloroplast ndhF and the nrDNA ITS region. In Bignoniaceae, Chilopsis and Catalpa are most closely related as sister genera. Our data supported section Macrocatalpa of the West Indies and section Catalpa of eastern Asian and North American continents. Within section Catalpa, Catalpa ovata of eastern Asia form a clade with North American species, C. speciosa and C. bignonioides, while the other eastern Asian species comprise a clade where C. duclouxii is sister to the clade of C. bungei and C. fargesii. The Caribbean species of Catalpa diverged early from the continental species. More studies are needed to test whether the phylogenetic pattern is common in eastern Asian-North American disjunct genera with species in the West Indies.