绞股蓝属植物系统发育和群体遗传学研究

发布时间：2020-09-22 15:29

　　绞股蓝属(Gynostemma BL.)隶属于葫芦科(Cucurbitaceae),属下包含2亚属16种2变种,中国有2亚属14种2变种,主要分布于东亚及东南亚地区,在我国的主要分布范围为长江流域及其以南。因其具有极大的药用价值,近年来受到许多国内外科学家们的重视。然而,野外调查发现,绞股蓝属植物自然居群生长的地理环境复杂,该属物种在分化过程中形成了一系列的生态变异类型,而且多个物种间形态特征交叉、过渡现象严重,为基于形态学的绞股蓝属植物的分类和系统发育带来挑战。目前,人们对绞股蓝属植物的研究主要集中在化学成分及药理药性研究、形态学与细胞学研究、基于少数分子标记的系统进化研究等方面,而对该属植物的叶绿体基因组尚未报道,因此,构建绞股蓝属物种的完整叶绿体基因组图谱是很有必要的。本研究利用绞股蓝属植物的叶绿体全基因组(Complete Chloroplast Genome)和核基因组分型GBS(Genotyping-by-Sequencing)的数据,并结合形态学的量化数据共同研究绞股蓝属物种间的系统发育关系和群体遗传特征,揭示中国亚热带地区绞股蓝自然居群的进化和群体动态历史。本研究的主要结论如下:(1)通过对绞股蓝叶绿体DNA进行Illumina高通量测序获得了完整的绞股蓝叶绿体基因组序列和图谱。结果表明:双链环状的绞股蓝叶绿体基因组大小为157,576 bp,总GC碱基含量为37.00%。共预测到139个功能基因,包括91个蛋白编码基因,30个tRNA基因和8个rRNA基因。该研究首次获得绞股蓝属植物的完整叶绿体基因组序列,为绞股蓝属以及葫芦科的系统发育关系研究提供了很好的参考。(2)在对8个绞股蓝属物种完整叶绿体基因组的比较研究中发现:绞股蓝属植物叶绿体具有经典的四部分结构,即一个大单拷贝区LSC(平均长度86,834 bp),一个小单拷贝区SSC(平均长度18,649 bp)以及两个相互间隔且反向互补的反向重复区IRa和IRb(平均长度26,174 bp);每个叶绿体基因组均编码133个基因,其中包括87个蛋白编码基因,8个rRNA基因,37个tRNA基因和1个假基因infA。基因组在结构、基因组成和顺序上都很保守。通过对叶绿体基因组中3种长重复序列和SSR的搜索,结果发现绞股蓝属叶绿体基因组序列中含有大量的重复序列,且大多数重复序列分布于基因间隔区和内含子上。另外,综合序列变异和mVISTA的研究表明,叶绿体基因组的蛋白编码区CDS比非编码区CNS保守,反向重复区IR比单拷贝区SC保守。属内物种间的系统发育关系的研究表明绞股蓝属可分为2个亚属,其结果与形态学分类一致。(3)对10个葫芦科代表属的物种的完整叶绿体基因组进行比较分析,结果表明葫芦科植物的叶绿体基因组相对保守,结构稳定且均未发生基因重排事件。选择压力分析表明在3个基因(accD,clpP和matK)中存在一些受选择位点,由这3个基因编码的蛋白质参与植物发育和能量转化、叶绿体蛋白合成以及基因转录,可能在葫芦科植物应对陆地生态系统发展过程中发挥关键作用。葫芦科的叶绿体基因组属于GC缺失类型,而且在第三个密码子位置上有较强的A/T偏好。本研究揭示了psbL基因中的一个非常规起始密码子,即原本的起始密码子ACG变成了AUG,这是由于RNA编辑引起的,它可以修饰突变,调节叶绿体基因的表达,是植物叶绿体中的一种校正机制。系统发育树(ML和BI)表明锥形果属Gomphogyne,雪胆属Hemsleya和绞股蓝属Gynostemma构成葫芦科中最早分化的谱系。因此,我们的研究结果表明,叶绿体基因组数据可以有效地解决葫芦科内不同属的系统发育关系。此外,该研究可为今后的系统发育研究提供潜在的分子标记和DNA条形码,并为丰富葫芦科叶绿体基因组资源做出巨大贡献。(4)本研究利用量化的形态学数据和分子基因组层面的完整叶绿体基因组和GBS(Genotyping-by-Sequencing)基因分型的分析对绞股蓝属植物13种2变种的系统发育关系进行了深入探讨,结果证实绞股蓝属下包含2个亚属,即绞股蓝亚属和喙果藤亚属。翅茎绞股蓝、广西绞股蓝和扁果绞股蓝应从绞股蓝亚属内移出,归入喙果藤亚属。而毛绞股蓝、毛果绞股蓝、缅甸绞股蓝和大果绞股蓝应合并为“毛绞股蓝”,并且可与长梗绞股蓝、光叶绞股蓝和绞股蓝进行归并,作为一个广义的“绞股蓝”物种对待。Beast分化时间的计算发现绞股蓝属的分化始于早第三纪晚期(23.02 Ma),属内亚属的分化时间在中新世时期(12.75 Ma),而属内物种的分化主要集中在第三纪上新世末期与第四纪更新世初期(3Ma)。末次间冰期(0.13 Ma)时,绞股蓝属植物主要分布在东亚东南部地区,当末次冰期(0.02 Ma)来临,绞股蓝亚属的分布范围逐渐西移至内陆,到达横断山区和秦岭大巴山区,而喙果藤亚属的分布范围在本地收缩,形成各自避难所;冰期过后的扩散过程中可能存在杂交和遗传漂变,从而形成现今物种的系统关系和分布格局。另外,本研究中基于SNP数据对绞股蓝属植物进行遗传结构的研究,结果发现绞股蓝属植物可划分为东西部两个分区,我们推测,在绞股蓝属各物种的形成和扩散过程中,受到了强烈的地理环境和气候条件的影响。(5)最后,本研究首次从基因组水平探讨了绞股蓝不同地理居群的种群遗传多样性水平和遗传结构。研究结果表明,绞股蓝的居群遗传多样性低(He=0.175,Ho=0.183),居群间分化程度较高(F_(ST)=0.984),且遗传变异主要存在于居群间。30个居群可以分为南北两个分组,而在青藏高原东南边缘、云贵高原和秦岭-巴山地区的居群在进化历史上存在一定的基因交流。总之,本研究通过绞股蓝属植物叶绿体基因组的构建,对该属内物种和其近缘属(葫芦科代表属)部分物种的叶绿体基因组进行了比较分析,并结合核基因组分型和量化的形态学数据深入讨论了绞股蓝属植物的系统分类与进化关系。另外,还利用简化基因组数据分析探讨了该属植物的群体遗传进化和动态历史,加深人们对绞股蓝属分子遗传背景的了解,并为东亚地区植物的保护提供有效信息。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S567.237;Q943
【部分图文】：

序列,叶绿体基因组,绞股蓝,图谱

Read1 Read2 Allount（#） 977165 977165 1954330ount（bp） 293149500 293149500 58629900 Length（bp） 300 300 300unt（bp） 218862782 171126968 38998975tio（%） 74.66 58.38 67.516358unt（bp） 253912610 216727964 47064057tio（%） 86.62 73.93 80.776309unt（bp） 285585187 273485514 55907070tio（%） 97.42 93.29 95.399691t（bp） 58108 102245 160353（%） 0.02 0.03 0.000274体基因组组装注释装获得一条长度为 157,576 bp 的序列，总 CG 含量为 37.00%（图

比例图,物种,基因,甜瓜

西北大学博士毕业论文装结果比对到 NT 数据库中，发现该序列与甜瓜（C. melo subsp. melo）完因组较为相似，其次为黄瓜（Cucumis sativus）和棒果木（Corynos）（图 2.2），以上 3 个物种均为葫芦科植物。，我们以甜瓜为参考基因组（JF412791），与获得的绞股蓝基因组作比较下图 2.3。图中的点基本在一条直线上，每一条线代表一条 scaffold，红色蓝色为反向比对。结果表明样本中所有基因组序列均能较好的比对到参考绞股蓝叶绿体基因组与甜瓜叶绿体基因组极为相似。

叶绿体基因组,绞股蓝,甜瓜

23（C. melo）叶绿体基因组为参考的绞股蓝叶绿体基因组比对equence identity plot comparing the G. pentaphyllum chloroplastC. melo as a reference by using mummerplot.

【参考文献】