唇形科三种药用植物叶绿体全基因组及科内的比较与进化分析

发布时间：2020-08-20 23:01

【摘要】：叶绿体是维持植物生命活动的重要细胞器,为植物的生长发育提供能量保障,在植物漫长进化中发挥了不可替代的作用。中医药是中华名族的瑰宝,中药材品质直接影响中医药的传承与发展,尤其是道地药材掺杂使假,严重降低了中药材的疗效,阻碍了中医药的发展。叶绿体基因组因其独特的结构与进化保守性,被广泛应用在基因工程,系统进化以及物种鉴别中。然而大多数中药材叶绿体全基因组测序还没有完成,限制了应用叶绿体基因组鉴别中药材真伪的发展。本文开展 了薄荷(Mentha haplocalyx Briq.),白毛夏枯草(Ajuga decumbens Thunb.)和活血丹(Glechoma longituba(Nakai)Kupr)三种常用唇形科药用植物叶绿体基因组研究,不仅丰富了该科物种的遗传数据信息,为系统进化分析提供了重要的科学依据,更为中药材的鉴别奠定了基础。本课题分离纯化薄荷,白毛夏枯草和活血丹三种唇形科药用植物的叶绿体DNA,利用二代测序技术,并通过生物信息学方法获得了三种植物的叶绿体全基因组序列,分析其序列结构特征,并与唇形科其他物种的叶绿体基因组进行了比较与进化分析,主要结果如下:(1)薄荷,白毛夏枯草,活血丹的叶绿体基因组长度分别为152,050 bp,150,377 bp和151,768 bp,且均具有双链环状四部分结构,即一对反向重复(Inverted Repeat,IR)将大单拷贝(Large Single Copy,LSC)和小单拷贝(Small SingleCopy,SSC)分开。三种植物的叶绿体基因组具有相似的基因内容及顺序,编码了 80个蛋白编码基因,30个tRNA基因和4个rRNA基因。本课题进一步分析了三种植物各区域碱基组成,密码子偏好性以及简单序列重复等特征,对最优密码子设计、分子标记开发具有重要价值。(2)结合NCBI上已有的叶绿体全基因组序列,在唇形科中进行了比较分析。通过序列间差异性分析,得到IR和蛋白编码区在进化过程中具有更强的保守性,同时也发现一些高可变区域,可进一步开发作为潜在的分子标记。在唇形科中搜索保守的small inversion(SI)结构,得到了两个SI并预测其发夹结构。通过计算同义替换率与错义替换率的比值,发现绝大多数基因在进化过程中都受到纯化选择的压力。(3)分别使用最大简约分析,最大似然分析和贝叶斯分析,利用80个蛋白编码基因重构唇形科内的系统进化关系。三种分析方法得到了相同的拓扑结构且大部分节点具有较高的支持率。本课题新报道的三种植物在进化树中的位置均被强烈支持,且与传统分类学结果相符。本课题首次报道了三种唇形科药用植物叶绿体全基因组,不仅丰富了药用植物的遗传数据信息,还为药用植物的鉴定与DNA条形码的开发奠定了基础。同时,本课题进一步完善了唇形科叶绿体基因组数据,利用生物信息学方法分析比较唇形科叶绿体基因组,并重构唇形科内系统进化关系,对唇形科植物分子生物学研究具有重要的参考价值。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S567;Q943.2
【图文】：

１．１．２叶绿体基因组的序列结构特征逡逑在真核生物中，除了细胞核内包含大量的ＤＮＡ之外，还有两种细胞器携带逡逑遗传物质，即线粒体和叶绿体。叶绿体作为一种半自主细胞器，自身具有遗传物逡逑质一一叶绿体基因组，也称叶绿体ＤＮＡ，它们能够进行复制转录并参与表达。逡逑对叶绿体基因俎的研究始于上世纪５０年代，大量细胞化学实验表明，叶绿逡逑

图２－１文库构建主要流程逡逑基因组的生物信息分析方法逡逑息学分析方法主要利用软件，结合脚本撰写，完成序列组分析，进化分析等任务。本课题用到的主要软件有ＳＯＡｕａｌ邋ＯｒｇａｎｅｌｌａｒＧｅｎｏＭｅ邋Ａｎｎｏｔａｔｏｒ），邋Ｂｉｏｅｄｉｔ，邋ＭＥＧＡ，邋ＤｎａＳＰｌＨＰＣ，邋ＭｒＢａｙｅｓ邋等。逡逑基因组的组装逡逑基因组的组装是将原始的下机序列还原成原始叶绿体全ｕｒｎｍａ的下机读长较短为１０１邋ｂｐ，且随机打断，位置信息据预处理、Ｃｏｎｔｉｇ邋（重叠群）拼接、Ｃｏｎｔｉｇ定位、补洞４

使用Ｂｌａｓｔｚ［７３］将选取的Ｃｏｎｔｉｇ映射到参考序列上，得到每条Ｃｏｎｔｉｇ的位置逡逑信息以及方向信息，这样所有的Ｃｏｎｔｉｇ可以按照确定的位置，以及确定的方向逡逑依次排列，如图２－２所示。逡逑５’逦Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ邋ｓｅｑｕｅｎｃｅ逦３’逡逑Ｃｏｎｔｉｇｌ逦丫邋Ｃｏｎｔｉｇ２邋＇邋Ｖ逦Ｃｏｎ，ｉ８３逦逦逦逡逑ｇａｐｌ逦ｅａｐ２逦ｏｖｅｒｌａｐ逦Ｃｏｎｔｉｇ４逡逑图２－２使用Ｂｌａｓｔｚ定位Ｃｏｎｔｉｇ示意图。Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ序列默认为５’至３’方向。图中箭头代表逡逑Ｃｏｎｔｉｇ比对到参考序列的方向，ｇａｐ表示Ｃｏｎｔｉｇ之间有未知序列，红色区域代表两段Ｃｏｎｔｉｇ逡逑有重叠部分，即可以相互拼接。逡逑（４）

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本文编号：2798551