系统发育基因组学研究进展

系统发育基因组学是利用全基因组数据构建系统发育树的新领域。全基因组数据能有效消除横向基因转移和类群间基因进化速率差异等因素对系统发育树的影响。根据所使用的全基因组数据的类型, 可以将系统发育基因组学方法分为以下5类：多基因联合建树方法, 基于基因含量的方法, 基于基因排列信息的方法, 基于序列短串含量特征信息的方法及基于代谢途径的方法。文章系统地总结了每一类方法的原理、速度、准确性、适用范围及在各个生物类群中的应用, 并对系统发育基因组学的前景及面临的挑战进行了概述。     

哺乳动物系统发育基因组学研究进展

哺乳动物是一类最进化并在地球上占主导地位的动物类群,重建其系统发育关系一直是分子系统学的研究热点。随着越来越多物种全基因组测序的完成,在基因组水平上探讨该类动物的系统发育关系与进化成为研究的热点。本文从全基因组序列,稀有基因组变异及染色体涂染等几个方面简要介绍了当前系统发育基因组学在现生哺乳动物分子系统学中的应用,综合已有的研究归纳整理了胎盘亚纲的总目及目间的系统发育关系,给出了胎盘动物19 个目的系统发育树。本文还分析了哺乳动物系统发育基因组学目前所面临的主要问题及未来的发展前景。     

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...     

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。     

系统发育基因组学——重建生命之树的一条迷人途径

生物基因组计划的相继启动对系统发育学研究的发展产生了深远影响。将基因组学和系统发育学结合起来的“系统发育基因组学”在这一背景下应运而生, 这门崭新交叉学科的出现成为重建“生命之树”的一条迷人途径。文章重点围绕系统发育基因组学的概念以及分析方法进行扼要介绍, 并探讨了它目前潜在的问题以及将来有待发展和完善的地方。     

阳春砂叶绿体全基因组解析及系统发育研究

以姜科(Zingiberaceae)豆蔻属(Amomum Roxb.)阳春砂(Amomum villosum)为试材,利用Illumina Hiseq 4000测序平台对阳春砂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,以揭示阳春砂与其他姜科植物的进化关系及其在系统发育中的地位,为豆蔻属植物的物种鉴定提供理论依据。结果表明:(1)阳春砂叶绿体基因组全长164 069 bp,GC含量为36.1%,包括1对29 959 bp的反向重复区(IR)、一个大单拷贝区(LSC;88 798 bp)和一个小单拷贝区(SSC;15 353 bp);共注释得到133个基因,包括8个rRNA基因、38个tRNA基因和87个蛋白编码基因。(2)在阳春砂基因组中共检测到157个SSR位点,大部分SSR均由A和T组成;豆蔻属物种在基因组大小、IR边界区高度保守,核酸变异主要发生在LSC和SSC区。(3)最大似然法(Maximum Likelihood, ML)聚类分析显示,阳春砂与同属的爪哇白豆蔻(Amomum compactum)和白豆蔻(Amomum kravanh)亲缘关系最近,并且与山姜属(Alpinia Roxb.)也有较近的亲缘关系。     

海洋宏基因组学研究进展

宏基因组学作为研究微生物种群生态分布、群体遗传特征和基因相互作用的新兴学科,在未培养微生物资源的开发利用上取得了突破性进展,已成为海洋等极端环境中分离与鉴定新型工业酶制剂的有效工具。综述海洋宏基因组学研究进展,以及宏基因组学领域中如新一代测序技术等,以期为从海洋环境中开发具有工业潜力和应用价值的新型生物催化剂提供参考。     

木犀科植物叶绿体基因组结构特征和系统发育关系

木犀科11属19个种叶绿体基因组的一般特征和变异特征的比较分析显示, 结果表明, 该科叶绿体基因组大小为154-165 kb, 其差异主要是大单拷贝(LSC)长度的差异所致。Jasminum属3个物种的叶绿体基因组长度与其余物种有较大差异, 该属clpP基因内含子和accD基因丢失。共线性分析表明, Jasminum属3个物种多个基因出现基因重排现象, 倒位可能是重排的主要原因。Jasminum属在IRb/SSC和SSC/IRa边界的基因均与其它物种不同; 重复序列与SSR数量检测结果表明, Jasminum属与其余物种在数量及重复长度上差异较大。基于CDS数据构建的系统发育树表明, Abeliophyllum distichum和Forsythia suspensa为木犀科中较早分化的类群。     

濒危植物坡垒的叶绿体基因组特征及系统发育分析

了解濒危植物坡垒(Hopea hainanensis)的叶绿体基因组结构,对揭示龙脑香科植物的系统进化关系具有重要意义.本研究通过高通量测序技术对坡垒叶绿体基因组的结构特征及与其近缘种的系统进化关系进行了分析.结果 表明:坡垒叶绿体基因组具有典型被子植物叶绿体基因组的四分体结构,基因组全长151 795 bp,共注释得...     

叶绿体基因组在系统发育学及基因工程领域的应用

介绍了叶绿体基因组在系统发育学和基因工程这两个领域的应用研究进展：1)叶绿体基因组的DNA序列比较为植物系统发育学研究提供了可靠数据基础;2)叶绿体基因工程是高水平表达外源基因的重要途径之一,在生产医用蛋白、改良作物农艺性状和环境保护等方面有着广阔的应用前景。     

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。     

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。     

鼠尾草叶绿体基因组序列分析

鼠尾草（Salvia japonica）是唇形科（Labiatae）鼠尾草属（Salvia）的一种多年生草本植物,具有十分重要的药用和经济价值。本文采用第二代测序技术Illumina Hiseq平台对鼠尾草的叶绿体基因组进行测序,同时以鼠尾草近缘物种丹参叶绿体基因组作为参考,组装得到完整叶绿体基因组序列。结果表明,鼠尾草叶绿体基因组序列全长153 995 bp,呈典型的四段式结构,其中LSC区长84 573 bp,SSC区长19 874 bp,两个IR区分别长24 774 bp;鼠尾草叶绿体基因组成功注释13组叶绿体基因,基因的种类、数目及GC含量等与唇形科中其它物种较为类似。这些研究结果丰富了鼠尾草属的叶绿体基因组数据,为今后鼠尾草属植物系统发育关系重建积累了基础性数据。     

叶绿体蛋白质组学研究进展

蛋白质组分析是鉴定蛋白质种类和功能的有力工具之一。叶绿体作为光合作用的重要细胞器,叶绿体蛋白质组学成为了研究的热点,涉及的领域包括叶绿体的总蛋白质组学、亚细胞蛋白质组学、差异蛋白质组学和蛋白质的功能等。现主要介绍蛋白质组学的常用技术以及叶绿体蛋白质组学的最新研究进展。     

Characterization of the Complete Chloroplast Genome of Apple (Malus × domestica,Rosaceae)*

Apple (Malus × domestica) is one of the most important temperate fruits. To better understand the molecular basis of this species, we characterized the complete chloroplast (cp) genome sequence downloaded from Genome Database for Rosaceae. The cp genome of apple is a circular molecule of 160068bp in length with a typical quadripartite structure of two inverted repeats (IRs) of 26352bp, separated by a small single copy region of 19180bp (SSC) and a large single copy region (LSC) of 88184bp. A total of 135 predicted genes (115 unique genes, and another 20 genes were duplicated in the IR) were identified, including 81 protein coding genes, four rRNA genes and 30 tRNA genes. Three genes of ycf15, ycf68 and infA contain several internal stop codons, which were interpreted as pseudogenes. The genome structure, gene order, GC content and codon usage of apple are similar to the typical angiosperm cp genomes. Thirty repeat regions (≥30bp) were detected, twenty one of which are tandem, six are forward and three are inverted repeats. Two hundred thirty seven simple sequence repeat (SSR) loci were revealed and most of them are composed of A or T, contributing to a distinct bias in base composition. Additionally, average 10000bp non coding region contains 24 SSR sites, while protein coding region contains five SSR sites, indicating an uneven distribution of SSRs. The complete cp genome sequence of apple reported in this paper will facilitate the future studies of its population genetics, phylogenetics and chloroplast genetic engineering.     

龟鳖类线粒体全基因组的比较研究

在基因组水平上,比较分析了已登录GenBank的19种龟鳖类线粒体全基因组的结构特征．结果表明：1）除平胸龟、扁陆龟外,其余17种龟鳖类线粒体基因组结构、基因排列顺序均与典型的脊椎动物相似,显示龟鳖类线粒体基因组在进化上十分保守：2）19种龟鳖类线粒体全基因组和各部分的碱基组成均表现出高AT、低G含量的偏向,在控制区中表现尤为明显：3）除中华鳖和白腹摄龟外,其余种类的某些蛋白编码基因中都存在一个或多个额外插入的核苷酸：4）除侧颈龟亚目的非洲侧颈龟外,其余18种曲颈龟线粒体DNA的“WANCY”区中都存在轻链复制起始点（OL）,且它们的二级结构、核苷酸组成高度保守,推测该结构可能是曲颈龟亚目的一个共同特征：5）部分龟鳖类线粒体基因组控制区3’端存在大片段（200～450bp）的重复序列,某些龟鳖类中有由（AT）构成的微卫星序列,并且这些拷贝序列在种间表现出一定的差异,其可作为特异的分子标记,对于龟鳖类动物系统学的研究、亲缘关系的鉴定、物种多样性的保护和研究等方面具有重要的参考价值．     

鲁桑叶绿体基因组序列及特征分析

鲁桑(Morus multicaulis)是亚洲地区栽培的重要经济作物。以鲁桑品种日本胡橙为实验材料, 利用高通量测序技术对鲁桑叶绿体基因组进行测序, 获得NCBI登录号(KU355297), 并研究鲁桑的叶绿体基因组结构。结合前人对蒙桑(M. mongolica)、印度桑(M. indica)和川桑(M. notabilis)的研究结果, 对鲁桑的系统进化关系进行了探讨。研究结果表明: 鲁桑叶绿体基因组是一个典型的四部分结构, 全长159 154 bp, 共注释130个基因, 包含85个蛋白质编码基因(18个基因在反向重复区重复)、37个转运RNA (tRNA)基因和8个核糖体RNA (rRNA)基因。生物信息学分析表明, 在鲁桑中共搜索到82个SSR位点, 单核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸和五核苷酸重复基序个数分别为63、7、2、9和1个, 并没有发现六核苷酸; 其中单核苷酸重复在鲁桑的叶绿体基因组SSR中占76.8%。采用MEGA 6.0软件, 通过最大似然法和近邻结合法对包括4个桑属物种在内的15个物种的叶绿体基因组序列进行聚类分析, 2种方法得到的聚类结果均为鲁桑和蒙桑聚在一起。研究结果对叶绿体基因组工程研究及桑属种间的分子标记开发和优良品种培育具有一定的参考价值。     

高等植物叶绿体基因组转化的应用

叶绿体基因组转化技术由于其独特的优越性,现已成为植物基因工程的研究热点。本文简单介绍了叶绿体基因组转化技术的原理和方法;并重点综述了该技术在基础研究和实践中的应用。这些应用主要包括利用叶绿体基因组转化技术进行Rubisco的组装,叶绿体基因结构、转录、翻译和RNA编辑等研究;利用叶绿体作为生物反应器生产人生长激素、霍乱毒素抗体、聚羟基丁酸脂和生物弹性蛋白等;获得抗虫、抗病、抗除草剂和耐旱的转基因植物;以及降低转基因植物的外源基因扩散等。     

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。     

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.