葡萄属叶绿体基因组分析及其系统发育研究

发布时间：2020-06-04 00:08

【摘要】：葡萄科植物物种丰富,分布广泛,且具有重要的经济价值和观赏价值。近年来,对葡萄科植物的研究从未停歇。目前,绝大多数被子植物叶绿体全基因组序列已经测定完成。将不同物种叶绿体基因组全序列进行比较以及对4个区域边界的差异分析,有助于了解叶绿体基因组序列差异,理解物种之间的进化过程。叶绿体基因组序列因具有较强的保守性和较低的碱基替换率等特点,使其成为系统发育研究较为理想的数据。本研究利用Illumina二代测序技术对葡萄属11个种叶绿体基因组进行测序,对包括蛇葡萄、垂盆草和烟草在内的16个叶绿体基因组进行比较分析,并以叶绿体基因组79个共有的蛋白编码基因对葡萄科39个种进行系统发育研究,揭示葡萄科各属种之间的进化关系。主要研究结果如下:1.测定和注释了葡萄属11个种叶绿体全基因组序列,得到11条完整的叶绿体基因组。葡萄属叶绿体基因组十分保守,大小为160935-160982 bp;具有典型的四分体结构,包含一个大单拷贝区(LSC,89159-89193 bp),一个小单拷贝区(SSC,19045-19073 bp)和一对反向重复区(IRs,26250-26373 bp);含有113个不同的基因(79个蛋白编码基因,30个tRNA和4个rRNA),此外,注释了两个特殊的没有编码蛋白功能的基因:ycf15和ycf68,均位于反向重复区;11个种叶绿体基因组GC含量非常相似,约为37.4%;密码子偏好A和T,尤其是密码子第二位和第三位,高达61.61%和69.74%;对重复序列和简单重复序列(SSR)进行了统计分析,为葡萄属植物的相关研究提供了基础。2.16个叶绿体基因组全序列比对结果表明:IR区域比LSC/SSC区域更加保守;葡萄属内叶绿体基因组非常保守,葡萄科蛇葡萄属植物与葡萄属植物也具有较强的共线性,而与其他被子植物(垂盆草和烟草)具有较大的差异。葡萄属13个种之间的遗传距离反映了物种亲缘关系的远近;分别对编码区和非编码区的核苷酸多态性(Pi)进行分析,共检测到10个变异度较高的区域(psbZ-trnG(UCC),csA-ndhD,atpF-atpH,accD-psaI,ndhF-rpl32,rps15-ycf1,trnK(UUU)-rps16,rpl32,rpl33,atpF),其中3个位于编码区,其余均位于非编码区。四个区域边界的比对结果显示,基因rps19、ndhF、ycf1、φrps19和φycf1等的大小和分布存在不同程度的差异,这些差异反映了叶绿体基因组的进化过程。3.本研究基于叶绿体基因组79个共有的蛋白编码基因对葡萄科39个种进行系统发育研究,以更加全面的数据确定和验证葡萄科各属种之间的系统进化关系。两种不同的分析方法(ML和MP)得到了相同的拓扑结构,将葡萄科植物分为5个主要的分支(Vitis-Ampelocissus clade,Parthenocissus-Yua clade,core Cissus clade,Cayratia-Cyphostemma-Tetrastigma clade,Ampelopsis-Rhoicissus clade),且每个分支均为单系分支;葡萄属内15个种进一步分为圆叶葡萄亚属和真葡萄亚属,而真葡萄亚属包括欧亚支系和新世界支系。
【图文】：

图 1 1986 年至 2018 年 4 月 INSDC 数据库收录的陆生植物叶绿体基因组数目Fig.1 Chloroplast genome numbers of land plant doposited in INSDC from 1986 to April, 20181.1.2 叶绿体基因组的基本结构叶绿体是植物细胞内具有独立遗传物质的多功能细胞器，在细胞中表现出多种构型，包括：双链环状构型、D 环构型、线性构型和套索状构型等，其中最典型的是结构非常保守的双链环状构型。叶绿体基因组的结构非常保守：一个小的单拷贝区域（small single copy region，，SSC）和一个大的单拷贝区域（large single copy region，LSC），这两个区域被一对反向重复序列（inverted repeat region a，IRa 和 inverted repeatregion b，IRb）分隔开，从而形成一种特殊的四分体结构。叶绿体基因组长度随着物种不同而差异较大，如被子植物叶绿体基因组大小为115-160kb（Cheng et al 2017）。众多研究表明，叶绿体基因组长度的大小差异主要是由 LSC 和 IR 区域的不同造成的，受 IR 区域的收缩和扩张的影响（Asaf et al 2017a，Cheon et al 2017，Yin et al 2017）。大多数质体基因组含有 110-140 个基因，其中约

部分植物材料采集照片
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S663.1

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本文编号：2695602