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。     

药用植物华重楼(黑药花科)叶绿体全基因组研究

为探究华重楼(Paris polyphylla var. chinensis)的叶绿体基因组特征,利用叶绿体系统发育基因组学方法,对华重楼与其它百合目植物的叶绿体全基因组进行了比较。结果表明,华重楼的叶绿体全基因组长158307 bp,由4个区组成,包括2个反向重复区(IRA和IRB,27473 bp)、1个小单拷贝区(SSC,18175 bp)和1个大单拷贝区(LSC,85187 bp)。其叶绿体基因组有115个基因,包括81个编码蛋白质基因、30个转运RNA基因和4 个核糖体RNA基因。11种百合目植物的叶绿体全基因组的基因组成和基因顺序相似。华重楼的cemA基因是假基因,其起始密码子后有多聚核苷酸poly(A)及CA双核苷酸重复序列,编码序列中出现多个终止密码子, 且与北重楼(Paris verticillata)的cemA编码序列中的终止密码子位置不同。因此,华重楼叶绿体基因组比较保守;cemA结构及假基因化现象可能具有重要的进化与系统发育信息,其编码序列中的终止密码子可以区分华重楼和北重楼。     

猴樟叶绿体基因组特征分析

猴樟(Cinnamomum bodinieri)枝叶含有丰富的精油,是重要的园林绿化树种和经济树种,但目前有关猴樟基因组学的研究报道不多。为揭示猴樟叶绿体基因组特征及系统发育关系,该文基于高通量测序平台进行测序,从头组装了完整的猴樟叶绿体基因组,并对其基因组结构、基因构成及序列重复、密码子使用偏好性以及系统发育进行分析,结合樟亚科主要属物种叶绿体基因组数据构建系统发育树。结果表明:(1)猴樟叶绿体基因组全长152 727 bp,包括一对20 132 bp的反向重复(IRs)区、93 605 bp的大单拷贝(LSC)区和18 858 bp的小单拷贝(SSC)区,总GC含量为39.13%。(2)该基因组共编码127个基因,包括83个蛋白质编码基因(PCGs)、36个转运RNA基因(tRNAs)和8个核糖体RNA基因(rRNAs); 共鉴定出92个SSR位点,其中大部分是A/T组成的单核苷酸重复序列; 密码子适应指数(CAI)为0.166,有效密码子数(ENc)为54.68; 猴樟与近缘种的叶绿体基因组主要在IR区和2个SC区边界上存在一定的差异。(3)24种樟亚科植物的系统发育树显示,猴樟与樟树亲缘关系最近,同时支持了樟属-甜樟属分支(Cinnamomum-Ocotea Clade)、月桂属-新木姜子属分支(Laurus-Neolitsea Clade)、润楠属-鳄梨属分支(Machilus-Persea Clade)的建立。该研究丰富了猴樟遗传资源信息,进一步确定了樟亚科主要属的系统发育地位。     

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。     

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。     

极小种群植物川柿叶绿体基因组特征与系统发育分析（附录）

川柿(Diospyros sutchuensis)为极小种群和国家重点保护野生植物,分布范围狭窄,种群数量极少。目前,川柿基因组信息缺乏,在柿属(Diospyros)中的系统亲缘关系不明确。该研究通过Illumina平台对川柿叶绿体基因组进行测序,应用Getorganellev1.7.3.4和PGA软件对基因组进行组装和注释,使用DnaSP6.12.03软件进行多序列对比分析,并使用REPuter、Tandem Reapeats Finder和MISA软件进行重复序列分析,使用CodonW1.4和EasyCodemL软件分别进行密码子偏好性和选择压力分析。同时,基于4个不同的叶绿体基因组序列数据集,使用IQtree软件分析川柿与11个柿属物种的系统发育关系。结果表明:(1)川柿叶绿体基因组全长157 917 bp,包含1对26 111 bp的反向重复区、大单拷贝区(87 303 bp)和小单拷贝区(18 392 bp),GC碱基含量为37.4%。(2)川柿叶绿体基因组共注释到113个基因,包括79个蛋白编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因; 共检测到49个长重复序列、27个串联重复序列和34个简单重复序列; 蛋白编码基因中高频密码子31个,多数密码子末位碱基为A或U,编码亮氨酸的密码子使用最多; 基因组编码区比非编码区更为保守,10个高变热点区域可作为潜在的分子标记; 蛋白编码基因中有8个基因(ndhB、ndhG、ndhI、rbcL、rpoB、petB、petD、rps12)受到正选择压力。(3)系统发育分析显示,川柿与老鸦柿(D. rhombifolia)和乌柿(D. cathayensis)亲缘关系最为密切,它们与海南柿(D. hainanensis)共同形成一个单系分支。该研究结果既为川柿及柿属种质资源鉴定、遗传多样性保护以及种群恢复等提供了叶绿体基因组资源,也为阐明川柿的系统进化提供了重要的分子信息。     

扁果草叶绿体基因组特征分析

为探讨扁果草(Isopyrum anemonoides)叶绿体基因组特征及该属物种的系统发育关系,采用Illumina Hiseq高通量测序技术,对扁果草进行全基因组测序,组装、注释和完成扁果草叶绿体全基因组图谱绘制。结果显示,扁果草叶绿体全基因组总长161 034 bp,为典型的四分体结构,包含85个蛋白编码基因、37个转运RNA和8个核糖体RNA。共检测到44个散在重复序列和47个简单重复序列。此外,扁果草叶绿体基因组中共包含53 678个密码子,其中编码亮氨酸的密码子最多(5 251个),编码色氨酸的密码子最少(712个)。共线性分析结果显示,扁果草与近缘种叶绿体基因组中不存在倒位或重排现象。系统发育分析表明,扁果草并未与该属的东北扁果草(I.manshuricum)聚在一个分支上,而是与假耧斗菜(Paraquilegia microphylla)有很近的亲缘关系。本研究为开展后续的扁果草属物种鉴定、系统发育研究提供基础资料。     

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。     

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.     

藏波罗花叶绿体基因组分析

藏波罗花（Incarvillea younghusbandii Sprague）是一种传统的补益类中药。其根作草药使用,用于滋补强壮,治产后少乳、久病虚弱、头晕、贫血等症。但目前关于藏波罗花分子遗传信息的研究很少。本研究基于高通量测序技术对藏波罗花叶绿体基因组进行测序、组装和注释,并对其序列特征、密码子偏好性、重复序列、系统发育和分化时间进行分析。结果表明,藏波罗花叶绿体基因组全长为159 323 bp,包含1个大单拷贝区（80 197 bp）、1个小单拷贝区（9 030 bp）和2个反向重复区（35 048 bp）;共注释出120个基因,包括77个蛋白编码基因、8个rRNA基因和35个tRNA基因;密码子偏好性分析显示,AAA是藏波罗花叶绿体基因组中使用最频繁的密码子;从藏波罗花叶绿体基因组中共检测到42个简单重复序列（simple sequence repeats,SSR）;系统发育分析表明,藏波罗花与密生波罗花（Incarvillea compacta）的亲缘关系最近,且在大概466万年前产生分化。本研究对藏波罗花相关资源的科学保护和开发具有重要的现实意义,也可以为后续角蒿属（Incarvillea）的物种鉴定、紫葳科（Bignoniaceae）的种群遗传多样性研究提供基本的遗传资源。     

沙冬青属植物叶绿体基因组对比和系统发育分析

该研究以沙冬青和矮沙冬青叶绿体基因组为研究对象,比较分析其基因组结构和系统发育关系。结果显示: (1)沙冬青和矮沙冬青的叶绿体基因组具有典型的四段式结构,全长为153 935 bp和154 140 bp,其中大单拷贝区(LSC)分别为83 891 bp和84 126 bp,小单拷贝区(SSC)分别为18 022 bp和18 014 bp,以及长度各自为26 011 bp和26 000 bp的成对反向重复区(IRs);沙冬青和矮沙冬青均注释130个基因,包括85个蛋白编码基因(PCGs),37个转运RNA(tRNA)以及8个核糖体RNA(rRNA)。(2)沙冬青和矮沙冬青的叶绿体基因组中分别检测出26和15个回文重复序列,39和50个串联重复序列,23和34个散在重复序列。同时都鉴定出96个SSRs位点,包括74和73个单核苷酸重复,5和6个二核苷酸重复,以及各有17个复合SSR位点;边界分析显示两者IR区相似,但仍有一定差异。(3)通过近邻结合法(NJ)对沙冬青和矮沙冬青在内的17种蝶形花亚科以及2种云实亚科植物的叶绿体基因组构建的系统发育树显示,沙冬青和矮沙冬青以较高的支持率聚为一个独立分枝。该研究结果为沙冬青属的种间鉴别、SSR分子标记开发、保育工作、种群动态以及进一步研究坡塔里族的演化过程奠定了理论基础。     

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。     

32种杜鹃花属植物亚属间杂交的可育性研究

为探索杜鹃花属植物亚属间杂交的可育性规律,该文对常绿杜鹃亚属(subgen. Hymenanthes)、杜鹃亚属(subgen. Rhododendron)及马银花亚属(subgen. Azaleastrum)、映山红亚属(subgen. Tsutsusi)和羊踯躅亚属(subgen. Pentanthera)的亚属间杂交进行了研究,共涉及杜鹃花属植物5亚属15亚组32种,杂交组合118个。结果表明:(1)杜鹃花属植物的亚属间杂交存在明显的生殖障碍,其可育性水平与亚属及其类群组合有关,高、中、低与不育比例为2∶16∶8∶92,可育比例仅20.0%,杜鹃亚属与马银花亚属等4个亚属级组合杂交未显现可育性。(2)亲本杂交组合方式对亚属间杂交有不同程度的影响,一些类群组合有明显的向性。以杜鹃亚属做母本与常绿杜鹃亚属的云锦杜鹃亚组杂交的可育组合比高于反交,且在有关大王杜鹃、粘毛杜鹃、露珠杜鹃和马缨花的杂交中也是如此,但与银叶杜鹃亚组杂交正好相反;另外,12对单向可育组合,分布于常绿杜鹃亚属与杜鹃亚属等4类亚属级杂交组合中。(3)杜鹃花属的亚属间杂交不亲和与败育现象明显,不可育组合百分率占80%,不能坐果是败育的主要表征,所有可育组合的绿苗率比值和单位种子数比值无一例达到相应母本的自然授粉水平。(4)双亲系统分类上的关系对亚属间可交配性具有重要影响并与可育程度一致,染色体倍性也有一定的作用。(5)有关研究为探索和认识杜鹃花属植物亚属间进化遗传联系提供了新的证据和思考,银叶杜鹃亚组可能是解释常绿杜鹃亚属与杜鹃亚属进化遗传联系的重要类群,杜鹃亚属的多鳞杜鹃可能与常绿杜鹃亚属具有广泛的血亲关系,其中多鳞杜鹃与岷江杜鹃彼此为生态相邻种并有可能在长期的演化过程中有遗传渗透,百合花杜鹃和毛肋杜鹃分别与映山红亚属、腺果杜鹃与马银花亚属,越峰杜鹃和繁花杜鹃分别与映山红亚属,大白杜鹃与羊踯躅亚属间的联系均需要深入研究。     

32种杜鹃花属植物在迁地保育条件下的自交研究

迁地保育条件下的杜鹃花属植物自交可育性一直缺乏系统的比较研究,该文对5亚属13亚组32种杜鹃花属植物的自交进行了数据采集与分析,初步揭示了迁地保育条件下杜鹃花属植物自交育性特征。结果表明:(1)自交可育与不育是杜鹃花属植物有性生殖中的两个并存现象,自交能育型种类或多于不育型。在受试的32种杜鹃花中,自交不育型10种、弱可育型5种、可育型7种、高可育型10种,其中27种的自交育性为首次报道,涵盖包括杜鹃亚属杜鹃组(sect.Rhododendron)和马银花亚属(subgen.Azaleastrum)及常绿杜鹃亚属(subgen.Hymenanthes)中银叶杜鹃亚组(subsect.Argyrophylla)等5个亚组在内的未被研究的类群。(2)通过与自然授粉有关育性指标的比较,发现不同种类的自交可育性指标有大幅度降低及增高这两类截然不同的现象,从而提出了自交可能是部分杜鹃花属植物的适应策略,或者对不利环境及其媒介条件的主动响应。(3)在云锦杜鹃亚组(subsect.Fortunea)这个被认为最原始的杜鹃花类群中,具备从自交不育到高可育的所有类型,并可能由此奠定整个杜鹃花属的遗传基础,而类群与种类分布的不同区域气候环境长期直接的或通过影响传粉媒介间接的作用,则可能是最终塑造该属植物自交育性多样化的外部动力。(4)该文还依据有关自交的研究结果,对杜鹃花属植物的迁地保育、育种、相关学科发展进行了讨论,并认为后合子期败育的理论不能完美地解释自交不能坐果的现象,而多倍体似不会导致自交不育。     

三种厚朴叶绿体基因组的比较研究

为了深入发掘日本厚朴、厚朴、凹叶厚朴叶绿体基因组差异,筛选厚朴优良性状候选基因,开展三种厚朴的分子遗传研究,该文利用Illumina HiSeq高通量测序平台首次对日本厚朴叶绿体进行测序、组装,并与已有的厚朴、凹叶厚朴叶绿体基因组共同注释,获得三个物种叶绿体基因图谱,筛选出三个基因组中的差异基因,又与同科中11个亲缘物种进行叶绿体基因组比对,构建NJ遗传树。结果表明:(1)日本厚朴叶绿体基因组的Clean Reads为19 791 019,Q30为91.33%,组装后基因组全长160 051 bp,GC含量为39.2%,含tRNA 37个,rRNA 8个。(2)比对分析发现三种厚朴具有相似的IR、LSC和SSC结构,以及GC含量和tRNA数量,但编码基因种类和数量、内含子和外显子的数量和结构等存在差异。(3)日本厚朴的功能基因数目较厚朴、凹叶厚朴分别多6个和4个,主要分布于LSC区和IR区,涉及核糖体大亚基、核糖体小亚基和未知功能基因类群。(4)系统发育分析结果进一步显示日本厚朴与凹叶厚朴亲缘关系较近,其次是厚朴。该研究表明日本厚朴具有更丰富的叶绿体基因组结构、组成和变异特征,是其适应高纬度地区弱光、低温环境的分子机制,这为厚朴类优良品种的分子选育提供有力的指导。     

珍稀濒危飘带兜兰叶绿体全基因组种内变异研究(附录)

飘带兜兰(Paphiopedilum parishii)分布范围狭窄,仅在中国、缅甸、泰国以及老挝有少量分布。近年来,因生境破坏和人为滥采而导致飘带兜兰野生种群极度缩减。为开发种内多态性的分子标记用于保护生物学研究,该研究对飘带兜兰4个野生个体经测序、组装、注释获得的叶绿体基因组序列,与已公布的飘带兜兰2个个体的叶绿体全基因组序列进行比对,分析飘带兜兰叶绿体基因组的种内差异。结果表明:(1)飘带兜兰叶绿体基因组具有典型被子植物叶绿体基因组环状四分体结构,基因组长度为154 403～154 809 bp,共编码129个基因,包括78个蛋白质编码基因、39个tRNA基因、8个rRNA基因,以及4个假基因。(2)在飘带兜兰6个个体叶绿体基因组中检测到103～107个SSRs(simple sequence repeats)位点,其中21个SSR位点具有多态性。此外,在6个个体叶绿体基因组中还检测到60个长序列重复,包括17～21个正向重复、18～29个反向重复、9～16个回文重复、4～9个互补重复。(3)通过比较6个个体叶绿体基因组序列的核苷酸多样性,共发现70处变异,包括10个SNPs(single nucleotide polymorphism)、60个插入缺失(InDels)。其中,有3个SNP位点发生了非同义替换,导致编码功能基因的氨基酸发生改变; 19个插入缺失多态性较高,具有开发为分子标记的潜力。(4)通过计算核苷酸多样性值(P_i)共发现8个有变异的区域,P_i值为0～0.006 32,其中变异度较大的是rps3-rpl22、trnL-UAC-rpl32、rpoB-trnC-GCA以及ycf4,这些高变区可开发为分子标记用于评估飘带兜兰遗传多样性。(5)系统发生分析结果表明,飘带兜兰6个个体叶绿体基因组序列聚在一起,与长瓣兜兰互为姐妹群。综上表明,飘带兜兰叶绿体基因组的SSRs、长序列重复、SNPs、InDels以及核苷酸序列呈现了足够的种内多样性,可开发成分子标记用于该种的系统演化及保护生物学研究。