丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2023.01.012

植物研究 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (1): 109-119.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2023.01.012

丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析

王飞¹^,², 赵文植¹^,², 董章宏², 马路遥¹^,², 李卫英¹^,², 李宗艳¹, 辛培尧¹^,²()

^1.西南林业大学，国家林业和草原局西南风景园林工程技术研究中心，昆明 650224
^2.西南林业大学，西南地区生物多样性保育国家林业和草原局重点实验室，昆明 650224

收稿日期:2022-06-13 出版日期:2023-01-20 发布日期:2022-12-23
通讯作者: 辛培尧 E-mail:xpytgyx@163.com
作者简介:王飞（1996—），男，硕士研究生，主要从事林木分子生物学与遗传改良研究。
基金资助:
科技部国家重点研发计划项目(2019FYD1001003)

Analysis of the Chloroplast Genome Characteristics of 6 Species of Yucca

Fei WANG¹^,², Wenzhi ZHAO¹^,², Zhanghong DONG², Luyao MA¹^,², Weiying LI¹^,², Zongyan LI¹, Peiyao XIN¹^,²()

^1.Southwest Research Center for Landscape Architecture Engineering State Forestry and Grassland Administration in Southwest Forestry University，Kunming 650224
^2.Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Biodiversity Conservation in Southwest China，Kunming 650224

Received:2022-06-13 Online:2023-01-20 Published:2022-12-23
Contact: Peiyao XIN E-mail:xpytgyx@163.com
About author:WANG Fei（1996—），male，postgraduate，forest tree molecular biology and genetic improvement research.
Supported by:
National Key R&D Program of China(2019FYD1001003)

摘要/Abstract

摘要：

为了理清丝兰属（Yucca）叶绿体基因组特征和序列变异情况，进行丝兰属植物叶绿体比较基因组学分析，并构建基于叶绿体基因组的系统发育树。利用高通量测序技术获得无刺龙舌兰（Y. treculeana）叶绿体基因组序列，结合丝兰属现已发表的叶绿体基因组，使用生物信息学方法对6种丝兰属植物叶绿体全基因组进行基本结构、重复序列、边界收缩与扩张以及序列变异分析等在内的比较基因组学研究，并进行系统发育分析。结果表明：6种丝兰属植物叶绿体基因组大小、基因的类型及数目相近，种间基因组结构比较保守；从丝兰属植物叶绿体基因组中检测到多条重复序列，其中SSR位点多是由单核苷酸、双核苷酸和四核苷酸组成，且偏好使用A、T碱基；根据核酸多态性指数π≥0.008，在6种丝兰属植物叶绿体基因组中筛选出了psbK-psbl-trnS-GCU、rpl20-rps12和ccsA-ndhD 3个高变异区域；基于叶绿体全基因组和LSC+SSC区序列构建的系统发育关系基本一致，确定了6种丝兰属植物间的系统发育关系，其中无刺龙舌兰与克雷塔罗丝兰（Y. queretaroensis）的亲缘关系最近。本研究测序获得了无刺龙舌兰叶绿体基因组，揭示了6种丝兰属植物叶绿体基因组特征和序列变异情况，明确了各物种间的亲缘关系，研究结果可为后续丝兰属植物分子标记开发及系统发育研究提供参考。

关键词: 丝兰属, 叶绿体基因组, 结构特征, 变异位点, 系统发育分析

Abstract:

In order to clarify the characteristics and sequences variation of the chloroplast genomeof Yucca， a comparative genomics of the chloroplasts was performed， and a phylogenetic tree based on the chloroplast genome was constructed. The chloroplast genome of Y. treculeana was obtained by high-throughput sequencing technology， and combined with the published chloroplast genome of Yucca， the chloroplast genomes of six species of Yucca were studied by comparative genomics， including basic structure， SSR， boundary contraction and expansion， sequence variation and phylogenetic analysis respectively. The results showed that the chloroplast genome size， gene type and number of the six Yucca species were similar， and the interspecific genome structure was conserved. Several repeated sequences were detected in the chloroplast genome of Yucca， among which SSR loci were mostly composed of mononucleotide， dinucleotide and tetranucleotide， and preferred A and T bases. Three regions with high variation（psbK-psbl-trnS-GCU， rpl20-rps12 and ccsA-ndhD） were identified from the chloroplast genomes of six Yucca species according to the nucleic acid polymorphism index（π）≥0.008. The phylogenetic relationships constructed from the chloroplast genome and LSC+SSC region sequences were basically consistent， and the phylogenetic relationships among six Yucca species were confirmed， among which Y. treculeana and Y. queretaroensis were most closely related. The sequencing obtained Y. treculeana chloroplast genome， revealed the genome characteristics and sequence variation of six Yucca species， and clarified the relatedness among various species. The results could provide reference for subsequent molecular marker development and phylogenetic research.

Key words: Yucca, chloroplast genome, structural characteristics, locus of variation, phylogenetic analysis

中图分类号:

S563.8

王飞, 赵文植, 董章宏, 马路遥, 李卫英, 李宗艳, 辛培尧. 丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析[J]. 植物研究, 2023, 43(1): 109-119.

Fei WANG, Wenzhi ZHAO, Zhanghong DONG, Luyao MA, Weiying LI, Zongyan LI, Peiyao XIN. Analysis of the Chloroplast Genome Characteristics of 6 Species of Yucca[J]. Bulletin of Botanical Research, 2023, 43(1): 109-119.

图/表 9

图1

表1

表2

6种丝兰属植物叶绿体基因组基因类型

基因功能分类

Gene function

classification

基因分组

Group of genes

基因列表

Gene list

自我复制相关基因

Self-replication

核糖体RNA基因

rRNA genes

rrn16²、rrn23²、rrn4.5²、rrn5²

转运RNA基因

tRNA genes

trnK-UUU（2）、trnQ-UUG、trnS-GCU、trnG-GCC（2）、trnR-UCU、trnC-GCA、trnD-GUC、trnY-GUA、trnE-UUC、trnT-GGU、trnS-UGA、trnG-UCC、trnfM-CAU、trnS-GGA、trnT-UGU、trnL-UAA（2）、trnF-GAA、trnV-UAC（2）、trnM-CAU、trnW-CCA、trnP-UGG、trnL-UAG、trnN-GUU²、trnR-ACG²、trnA-UGC²（2）、trnI-GAU²（2）、trnV-GAC²、trnL-CAA²、trnI-CAU²、trnH-GUG²

核糖体小亚基

Small subunit of ribosome

rps16（2）、rps2、rps14、rps4、rps18、rps12²（3）、rps11、rps8、rps3、rps19²、rps7²、rps15

核糖体大亚基

Large subunit of ribosome

rpl33、rpl20、rpl36、rpl14、rpl16（2）、rpl22、rpl2²（2）、rpl23²、rpl32（Ysⁿ）

RNA聚合酶亚基

RNA polymerase

rpoC2、rpoC1（2）、rpoB、rpoA

光合作用相关基因

Genes for

photosynthesis

NADH脱氢酶

NADH dehydrogenase

ndhJ、ndhK、ndhC、ndhB²（2）、ndhF、ndhD、ndhE、ndhG、ndhI、ndhA（2）、ndhH

ATP合成酶

ATP synthase

atpA、atpF（2）、atpH、atpI、atpE、atpB

光合系统Ⅰ基因

Photosystem I gene

psaB、psaA、psaI、psaJ、psaC

光合系统Ⅱ基因

Photosystem II gene

psbA、psbK、psbI、psbM、psbD、psbC、psbZ、psbJ、psbL、psbF、psbE、

psbB、psbT、psbN、psbH

细胞色素b/f复合体基因

Cytochrome b/f complex

petN、petA、petL、petG、petB（2）、petD（2）

RubisCO大亚基

RubisCO large subunit

rbcL

其他基因

Other genes

成熟酶K基因

Maturase K gene

matK

蛋白酶基因

Protease gene

clpP（3）

囊膜蛋白基因

Envelop membrane protein

cemA

C型细胞色素合成基因

C-type cytochrome synthesis

ccsA

乙酰辅酶A羧化酶亚基

Acetyl-CoA carboxylase beta subunit

accD

未知功能基因

Unknown function genes

假定叶绿体阅读框

Hypothetical chloroplast reading frames

ycf4、ycf2²、ycf1、ycf3（3）

表2

图2

图3

图4

图5

图6

图7

参考文献 38

1	苏丹丹，刘玉萍，刘涛，等.苦马豆叶绿体基因组结构及其特征分析［J］.植物研究，2022，42（3）：446-454.
	SU D D， LIU Y P， LIU T，et al.Structure of chloroplast genome and its characteristics of Sphaerophysa salsula ［J］.Bulletin of Botanical Research，2022，42（3）：446-454.
2	XUE S， SHI T， LUO W J，et al.Comparative analysis of the complete chloroplast genome among Prunus mume，P.armeniaca and P.salicina ［J］.Horticulture Research，2019，6：89.
3	傅建敏，索玉静，张嘉嘉，等.柿属植物cpDNA分子标记开发及遗传变异研究［J］.中南林业科技大学学报，2017，37（6）：1-6.
	FU J M， SUO Y J， ZHANG J J，et al.Exploitation of cpDNA molecular markers and genetic variation of Diospyros spp.［J］.Journal of Central South University of Forestry & Technology，2017，37（6）：1-6.
4	段义忠，张凯.沙冬青属植物叶绿体基因组对比和系统发育分析［J］.西北植物学报，2020，40（8）：1323-1332.
	DUAN Y Z， ZHANG K.Comparative analysis and phylogenetic evolution of the complete chloroplast genome of Ammopiptanthus ［J］.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2020，40（8）：1323-1332.
5	赵儒楠，褚晓洁，刘维，等.鹅耳枥属树种叶绿体基因组结构及变异分析［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2021，45（2）：25-34.
	ZHAO R N， CHU X J， LIU W，et al.Structure and variation analyses of chloroplast genomes in Carpinus ［J］.Journal of Nanjing Forestry University（Natural Science Edition），2021，45（2）：25-34.
6	田春育，李志勇，刘倩，等.苜蓿属不同物种叶绿体基因组结构比较及亲缘关系分析［J］.中国草地学报，2021，43（10）：1-8.
	TIAN C Y， LI Z Y， LIU Q，et al.Comparison of chloroplast genome structure and phylogenetic analysis of different species of Medicago ［J］.Chinese Journal of Grassland，2021，43（10）：1-8.
7	蒋礼玲，王琳超，黄新荣，等.藜属植物叶绿体基因组结构与系统进化［J］.应用与环境生物学报，2022，28（5）：1255-1261.
	JIANG L L， WANG L C， HUANG X R，et al.Comparative genomic and phylogenetic of Chenopodium species based on complete chloroplast genome［J］.Chinese Journal of Applied and Environmental，2022，28（5）：1255-1261.
8	ALEXANDER L W， WOESTE K E.Pyrosequencing of the northern red oak（Quercus rubra L.） chloroplast genome reveals high quality polymorphisms for population management［J］.Tree Genetics & Genomes，2014，10（4）：803-812.
9	IRISH MARY， IRISH GARY.Agaves，Yuccas and plants related：a gardener's guide［J］.Taxon，2000，49（3）：611.
10	AZANAW A， HAILE A， GIDEON R K.Extraction and characterization of fibers from Yucca elephantine plant［J］.Cellulose，2019，26（2）：795-804.
11	胡军荣.金边凤尾兰组织培养快速繁殖技术研究［D］.北京：中国农业科学院，2011.
	HU J R.Study on tissue culture and rapid propagation of Yucca gloriosa ‘Variegata’［D］.Beijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences，2011.
12	BENIDZE M M， SKHIRTLADZE A V， GETIA M Z，et al.Chemical constituents of Yucca gloriosa flowers［J］.Chemistry of Natural Compounds，2022，58（1）：50-54.
13	ALAGAWANY M， ABD E M， FARAG M R，et al.Dietary supplementation of Yucca schidigera extract enhances productive and reproductive performances，blood profile，immune function，and antioxidant status in laying Japanese quails exposed to lead in the diet［J］.Poultry Science，2018，97（9）：3126-3137.
14	O.Yuccas PELLMYR， moths yucca， coevolution and ：a review［J］.Annals of the Missouri Botanical Garden，2003，90（1）：35-55.
15	MCKAIN M R， MCNEAL J R， KELLAR P R，et al.Timing of rapid diversification and convergent origins of active pollination within Agavoideae（Asparagaceae）［J］.American Journal of Botany，2016，103（10）：1717-1729.
16	宋国立，崔荣霞，王坤波，等.改良CTAB法快速提取棉花DNA［J］.棉花学报，1998，10（5）：273-275.
	SONG G L， CUI R X， WANG K B，et al.A rapid improved CTAB method for extraction of cotton genomic DNA［J］.Acta Gossypii Sinica，1998，10（5）：273-275.
17	KOROSTIN D， KULEMIN N， NAUMOV V，et al.Comparative analysis of novel MGISEQ-2000 sequencing platform vs Illumina HiSeq 2500 for whole-genome sequencing［J］.PLoS One，2020，15（3）：e0230301.
18	JIN J J， YU W B， YANG J B，et al.Get Organelle：a fast and versatile toolkit for accurate de novo assembly of organelle genomes［J］.Genome Biology，2020，21（1）：241.
19	KEARSE M， MOIR R， WILSON A，et al.Geneious Basic：an integrated and extendable desktop software platform for the organization and analysis of sequence data［J］.Bioinformatics，2012，28（12）：1647-1649.
20	马孟莉，张薇，孟衡玲，等.草果叶绿体基因组特征及系统发育分析［J］.中草药，2021，52（19）：6023-6031.
	MA M L， ZHANG W， MENG H L，et al.Characterization and phylogenetic analysis of the complete chloroplast genome of Amomum tsaoko ［J］.Chinese Traditional and Herbal Drugs，2021，52（19）：6023-6031.
21	AMIRYOUSEFI A， HYVÖNEN J， POCZAI P.IRscope：an online program to visualize the junction sites of chloroplast genomes［J］.Bioinformatics，2018，34（17）：3030-3031.
22	FRAZER K A， PACHTER L， POLIAKOV A，et al.VISTA：computational tools for comparative genomics［J/OL］.Nucleic Acids Research，2004，32［2022-06-10］.DOI：10.1093/nar/gkh458 .
23	ROZAS J， FERRER-MATA A， SÁNCHEZ-DELBARRIO J C，et al.DnaSP 6：DNA sequence polymorphism analysis of large data sets［J］.Molecular Biology and Evolution，2017，34（12）：3299-3302.
24	STAMATAKIS A.RAxML version 8：a tool for phylogenetic analysis and post-analysis of large phylogenies［J］.Bioinformatics，2014，30（9）：1312-1313.
25	李巧丽，延娜，宋琼，等.鲁桑叶绿体基因组序列及特征分析［J］.植物学报，2018，53（1）：94-103.
	LI Q L， YAN N， SONG Q，et al.Complete chloroplast genome sequence and characteristics analysis of Morus multicaulis ［J］.Chinese Bulletin of Botany，2018，53（1）：94-103.
26	关惜今，朱智国，郑昊吉，等.马铃薯与其野生近缘种叶绿体基因组差异分析［J］.云南师范大学学报（自然科学版），2021，41（4）：33-40.
	GUAN X J， ZHU Z G， ZHENG H J，et al.Comparative analysis of plastid genomes between potato and its wild relatives［J］.Journal of Yunnan Normal University（Natural Science Edition），2021，41（4）：33-40.
27	DANIELL H， LIN C S， YU M，et al.Chloroplast genomes：diversity，evolution，and applications in genetic engineering［J］.Genome Biology，2016，17（1）：134.
28	DE LA ROSA-CONROY L， GASCA-PINEDA J， BELLO-BEDOY R，et al.Genetic patterns and changes in availability of suitable habitat support a colonisation history of a North American perennial plant［J］.Plant Biology，2020，22（2）：233-242.
29	UEDA M， FUJIMOTO M， ARIMURA S I，et al.Loss of the rpl32 gene from the chloroplast genome and subsequent acquisition of a preexisting transit peptide within the nuclear gene in Populus ［J］.Gene，2007，402（1/2）：51-56.
30	李祥栋，石明，陆秀娟，等.利用叶绿体基因组SSR标记揭示薏苡属种质资源的遗传多样性［J］.华北农学报，2019，34（S1）：6-14.
	LI X D， SHI M， LU X J，et al.Genetic diversity of germplasm resources in Job’s tears revealed by chloroplast genome SSR markers ［J］.Acta Agriculturae Boreali-Sinica，2019，34（S1）：6-14.
31	LI B， LIN F R， HUANG P，et al.Development of nuclear SSR and chloroplast genome markers in diverse Liriodendron chinense germplasm based on low-coverage whole genome sequencing［J］.Biological Research，2020，53（1）：21.
32	HABERLE R C， FOURCADE H M， BOORE J L，et al.Extensive rearrangements in the chloroplast genome of Trachelium caeruleum are associated with repeats and tRNA genes［J］.Journal of Molecular Evolution，2008，66（4）：350-361.
33	陆奇丰，黄至欢，骆文华.极小种群濒危植物广西火桐、丹霞梧桐的叶绿体基因组特征［J］.生物多样性，2021，29（5）：586-595.
	LU Q F， HUANG Z H， LUO W H.Characterization of complete chloroplast genome in Firmiana kwangsiensis and F.danxiaensis with extremely small populations［J］.Biodiversity Science，2021，29（5）：586-595.
34	WANG W C， CHEN S Y， ZHANG X Z.Whole-genome comparison reveals divergent IR borders and mutation hotspots in chloroplast genomes of Herbaceous bamboos（Bambusoideae：Olyreae）［J］.Molecules，2018，23（7）：1537.
35	毕毓芳，温星，潘雁红，等.叶绿体DNA条形码在林木中的应用及研究进展［J］.分子植物育种，2020，18（16）：5444-5452.
	BI Y F， WEN X， PAN Y H，et al.Application and research progress of chloroplast DNA barcoding in forest trees［J］.Molecular Plant Breeding，2020，18（16）：5444-5452.
36	CUI N， LIAO B S， LIANG C L，et al.Complete chloroplast genome of Salvia plebeia：organization，specific barcode and phylogenetic analysis［J］.Chinese Journal of Natural Medicines，2020，18（8）：563-572.
37	杨嘉鹏，朱紫乐，范雅娟，等.三种石豆兰属药用植物的叶绿体基因组比较分析及其在物种鉴定中的意义［J］.药学学报，2020，55（11）：2736-2745.
	YANG J P， ZHU Z L， FAN Y J，et al.Comparative plastomic analysis of three Bulbophyllum medicinal plants and its significance in species identification［J］.Acta Pharmaceutica Sinica，2020，55（11）：2736-2745.
38	SHAW J， SHAFER H L， LEONARD O R，et al.Chloroplast DNA sequence utility for the lowest phylogenetic and phylogeographic inferences in angiosperms：the tortoise and the hare Ⅳ［J］.American Journal of Botany，2014，101（11）：1987-2004.

物种 Species	登录号 GenBank	基因组大小 Genome size/bp	LSC区长 Length /bp	SSC区长 Length /bp	IR区长 Length /bp	总基因数 Total genes	总GC含量 Content GC /%	蛋白编码基因 Protein coding	tRNA	rRNA
无刺龙舌兰 Y. treculeana	OL912952	157 579	85 940	18 279	26 680	131	37.8	85	38	8
西地格丝兰 Y. schidigera	KX931469	156 158	86 107	16 635	26 708	130	37.9	84	38	8
柔软丝兰 Y. filamentosa	KX931467	157 785	86 135	18 292	26 679	131	37.8	85	38	8
克雷塔罗丝兰 Y. queretaroensis	KX931468	157 814	86 146	18 294	26 687	131	37.8	85	38	8
短叶丝兰 Y. brevifolia	MW281836	158 016	86 313	18 299	26 702	131	37.8	85	38	8
Y. jaegeriana	MW281848	158 020	86 314	18 302	26 702	131	37.8	85	38	8

[1]	芦永昌, 张鑫, 张璐燕, 王久利. 辽东丁香完整叶绿体基因组的结构与特征[J]. 植物研究, 2023, 43(1): 120-130.
[2]	穆赢通, 樊东昌, 吕丽娟, 李晓杰, 路景诗, 张晓明. 毛茛科和芍药科叶绿体基因组密码子特征和系统发育比较[J]. 植物研究, 2022, 42(6): 964-975.
[3]	张雨, 苏旭, 刘玉萍, 刘涛, 郑长远, 苏丹丹, 王亚男, 吕婷. 喜马红景天叶绿体基因组特征及其系统发育分析[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 602-612.
[4]	夏铭泽, 张发起, 迟晓峰, 韩霜, 陈世龙. 梅花草属叶绿体基因组进化分析[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 626-636.
[5]	杨晨, 姚雪莹, 陈志祥, 王奇志. 红花变豆菜叶绿体基因组结构及同属种间关系研究[J]. 植物研究, 2022, 42(3): 437-445.
[6]	苏丹丹, 刘玉萍, 刘涛, 郑长远, 张雨, 王亚男, 秦娜, 苏旭. 苦马豆叶绿体基因组结构及其特征分析[J]. 植物研究, 2022, 42(3): 446-454.
[7]	段义忠, 杜忠毓, 王海涛. 西北干旱区孑遗濒危植物四合木(Tetraena mongolica)叶绿体基因组特征研究及比较分析[J]. 植物研究, 2019, 39(5): 653-663.
[8]	张妍彤, 黄剑, 宋菊, 林丽梅, 冯若宣, 邢朝斌. 壳斗科植物叶绿体基因组结构及变异分析[J]. 植物研究, 2018, 38(5): 757-765.
[9]	刘玉萍, 吕婷, 朱迪, 周勇辉, 刘涛, 苏旭. 青藏高原特有种-藏扇穗茅叶绿体基因组测序及序列分析[J]. 植物研究, 2018, 38(4): 518-525.
[10]	何懿菡, 韩立敏, 刘玉萍, 田娜, 苏旭, 王喆之. 鼠尾草叶绿体基因组序列分析[J]. 植物研究, 2017, 37(4): 572-578.
[11]	汪琛颖;赵建成. 丝瓜藓属(Pohlia Hedw.)的系统位置及属内种间关系探讨[J]. 植物研究, 2010, 30(5): 517-526.
[12]	郑维列;田大伦;卢杰*;罗建. 高寒植物长鞭红景天种群结构及数量特征[J]. 植物研究, 2009, 29(4): 402-410.
[13]	孙　澜;苏智先*;张素兰;严贤春;权秋梅. 嘉陵江流域南充金城山森林群落结构特征分析[J]. 植物研究, 2008, 28(3): 364-369.
[14]	崔杰;徐德昌;李滨胜;杨谦;孙璟晗. 甜菜ATP合酶β亚基基因atpB的克隆、序列分析及进化[J]. 植物研究, 2006, 26(5): 583-588.

丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析

Analysis of the Chloroplast Genome Characteristics of 6 Species of Yucca

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 38

相关文章 14

编辑推荐

Metrics

本文评价