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‘怀玉山’高山马铃薯Solanum tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’，又名麻籽洋芋，茄科Solanaceae茄属Solanum 1年生草本植物，主要种植区域为江西省玉山县怀玉乡[1]。‘怀玉山’高山马铃薯食用、药用皆优，获批为国家地理标志农产品[2−3]。已有研究表明：‘怀玉山’高山马铃薯与云南德宏和曲靖以及湖北恩施的高山马铃薯种质存在差异[4]。但‘怀玉山’高山马铃薯的进化来源尚无相关研究报道。
叶绿体是高等植物细胞内一种重要的与光合作用和物质代谢相关的细胞器，叶绿体基因组是一套具有母系遗传特征的独立基因组，是高等植物细胞质基因组的组成成分之一[5]。与核基因组相比，叶绿体基因组全长序列短、易测序获得、基因直系同源、基因结构稳定、保守性较高、进化速率适中，目前已经广泛应用于植物系统发育分析、物种分类鉴定及分子标记开发等研究中，在物种起源、进化、演变及比较基因组学等研究领域发挥着越来越大的作用[6]。密码子是核酸和蛋白质之间遗传信息传递的桥梁[7]，mRNA上的遗传信息以tRNA三重密码子传递。氨基酸一般对应≥1的密码子[8]，这些密码子称为同义密码子[9]。在自然选择或突变偏好的情况下，基因倾向于使用≥1的同义密码子，即同义密码子使用偏好性[10−12]。目前，关于茄属的叶绿体基因组研究已有报道[13−19]，而针对‘怀玉山’高山马铃薯的研究大多集中在基因克隆[20]、转录组分析[3]、遗传多样性[4]、脱毒快繁[2]、DNA甲基化敏感扩增多态性(MSAP)分析[21]等方面，对‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体全基因组及其密码子使用偏好性方面的研究还未见系统报道。本研究通过对‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组进行测序和组装，分析基于叶绿体基因组的‘怀玉山’高山马铃薯系统进化、结构解析和密码子偏好性等，为‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组研究和应用提供科学依据，也为进一步研究‘怀玉山’高山马铃薯遗传背景、种质资源保护与开发利用奠定基础。
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由上饶市薯芋类作物种质保存与利用重点实验室提供的‘怀玉山’高山马铃薯试管苗。
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选取‘怀玉山’高山马铃薯(MLS)试管苗叶片组织，利用植物基因组DNA提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司)提取‘怀玉山’高山马铃薯试管苗DNA，质量分数为1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA的完整性，NanoDrop 2000 分光光度计(Thermo Scientific公司)检测 DNA 浓度和纯度，用超声波将DNA片段化，然后对片段化的DNA进行片段纯化、末端修复、3′端加A、连接测序接头，再用琼脂糖凝胶电泳进行片段大小选择，进行聚合酶链式反应(PCR)扩增形成测序文库。建好的文库先进行文库质检，质检合格的文库用BGISEQ-500平台进行测序。
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通过SOAPnuk 1.3.0对raw data (测序下机的原始数据)进行数据过滤，去除其中的接头序列及低质量reads (高通量测序中一个反应获得的测序序列)，获得高质量的clean data (对原始数据进行过滤后并剔除了低质量数据的剩余数据)。采用Noveplastys软件组装叶绿体基因组核心模块，以起始组装序列为起点开始组装叶绿体contigs (很多reads根据序列拼接在一起拼出的片段)，如果contigs未环化，则利用CAP 3软件连接多个contigs为完整叶绿体基因组，并手动调整环状叶绿体基因组起始位置。使用GeSeq、tRNAscan-SE对叶绿体基因组进行注释，再经过手工校正后得到最终的基因注释结果。将注释完成的‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组序列提交至美国国家生物信息中心(NCBI)，获得登录号：OP589401。使用OGDRAW绘制叶绿体基因组图谱。
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通过JSHYCloud在线工具集分析并统计叶绿体基因组、大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和反向重复区(IR)的鸟嘌呤和胞嘧啶所占的比例(GC比例)；使用MISA软件进行简单重复序列(SSR)分析，单核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸、六核苷酸的最小重复值分别设置为10、6、5、5、5、5；利用REPuter软件进行长重复序列(longrepeat)分析，查找正向重复(F)、反向重复(R)、互补重复(C)、回文重复(P)等4种重复类型；通过Pasteur Galaxy 在线工具集中的CodonW模块分析密码子使用情况，设置输出结果为有效密码子数(ENC)和相对同义密码子使用频率(RSCU)，其他参数设为默认值。将‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组序列上传至美国国家生物技术信息中心(NCBI) 进行BLASTn比对，选择highly similar sequence (megablast)比较相似性在95 %以上的序列，检索获得‘怀玉山’高山马铃薯的近缘种。利用Gview、VISTA tools、IRscope和DNADnaSP 6.0软件绘制‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种(S. cochoae NC_062512、多毛番茄S. habrochaites NC_026879、潘那利番茄S. pennellii NC_035742、S. bukasovii MT120867、S. boliviense NC_062870、S. trisectum NC_062469、S. salamancae NC_062480、S. clivorum NC_062513、S. mortonii NC_062426、S. insanum MW384851)的变异圈图、mVIST结构变异图、IR结构变异图，计算‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种的基因组核酸多样性(Pi)，参数设置100 bp滑窗，25 bp的步长，并进行中性绘图分析(GC3-GC12分析)、ENC-plot分析、PR2-bias-plot分析和最优密码子分析；对‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因的ENC进行排序，分别选取两端基因各5个，构建高表达基因库(ENC小)和低表达基因库(ENC大)，并计算两者的RSCU差值(ΔRSCU)。筛选ΔRSCU≥0.08的高表达密码子，且将RSCU＞1.00的高频率密码子定义为‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组的最优密码子；最后利用mafft 7.0和fasttree 2.1.10软件分别对‘怀玉山’高山马铃薯和18个近缘种以及烟草属Nicotiana 2个外类群物种进行序列比对和构建进化树。
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经过测序组装的完整的叶绿体基因组长度为155 296 bp，图1显示：‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组呈典型的四分体结构，包含1个LSC、1个SSC和2个将LSC与SSC分隔开的IR (IRa和IRb)。基因组的总GC比例为37.88%，A、T、C、G比例分别为30.65%、31.47%、19.24%、18.65%。LSC、SSC和IR的长度分别为85 737、18 373、25 593 bp。LSC的GC比例为36.01%，A、T、C、G比例分别为31.29%、32.70%、18.40%、17.61%；SSC的GC比例为32.09%，A、T、C、G比例分别为33.78%、34.14%、16.69%、15.40%；IRb的GC比例为43.10%，A、T、C、G比例分别为28.57%、28.33%、20.72%、22.39%；IRa的GC比例为43.10%，A、T、C、G比例分别为28.33%、28.57%、22.39%、20.72%。表明‘怀玉山’高山马铃薯IR的GC比例最大，LSC次之，SSC最少；叶绿体基因组总GC比例显著低于AT比例；叶绿体基因组各碱基比例从大到小依次为T、A、C、G。
图 1 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组图谱
Figure 1. Chloroplast genome map of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
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叶绿体基因组共注释到光合作用基因、自我复制基因、其他基因和未知功能基因4类，包括87个编码区(CDS)基因、37个tRNA基因、8个rRNA 基因、1个假基因，共133个基因。对有多个外显子的叶绿体基因进行结构分析，由2个外显子构成的基因有21个，包括13个CDS基因和8个tRNA基因；由 3个外显子构成的基因有4个，为clpP1、ycf3、rps12 (2个)基因。LSC的基因数量最多(81个)，其中CDS基因59个、tRNA基因22个；SSC的基因数量为11个，其中CDS基因10个、tRNA基因1个；IR的基因数量为17个，其中CDS基因6个、rRNA基因4个、tRNA基因7个；SSC与IRb边界(JSB)的基因数量为2个(ndhF和ycf1)；LSC与IRb边界(JLB)的基因数量为1个(rps19)；SSC与IRa边界(JSA)的基因数量为2个(ycf1)；LSC与IRa边界(JLA)的基因数量为0。rps12有2个拷贝，每个拷贝具有3个外显子，且2个拷贝共享第1个外显子，第1个外显子位于LSC，另外2个外显子位于IR (表1)。
表 1 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因功能分类
Table 1. Chloroplast gene functional classification of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
基因功能 基因类型 基因名 基因数
量/个光合作用 光系统Ⅰ psaA、psaB、psaC、psaI、psaJ 5 光系统Ⅱ psaJ、psbA、psbB、psbC、psbD、psbE、psbF、psbH*、psbI、psbK、psbL、psbM、
psbT、psbZ15 NADH 脱氢 ndhA、ndhB*、ndhC、ndhD、ndhE、ndhF、ndhG、ndhH、ndhI、ndhJ、ndhK 12 细胞色素 b/f 复合体 petA、petB、petD、petG、petL、petN 6 ATP 合成酶 atpA、atpB、atpE、atpF、atpH、atpI 6 自我复制 核糖体大亚基蛋白质 rpl14、rpl16、rpl2*、rpl20、rpl22、rpl23*、rpl32、rpl33、rpl36 11 核糖体小亚基蛋白质 rps11、rps12*、rps14、rps15、rps16、rps18、rps19、
rps2、rps3、rps4、rps7*、rps814 核糖体大亚基 rbcL 1 RNA 聚合酶 rpoA、rpoB、rpoC1、rpoC2 4 核糖体RNA rrn16*、rrn23*、rrn4.5*、rrn5* 8 转运RNA trnA-UGC*、trnC-GCA、trnD-GUC、trnE-UUC、trnF-GAA、trnG-GCC、trnG-UCC、
trnH-GUG、trnI-CAU*、trnI-GAU*、trnK-UUU、trnL-CAA*、trnL-UAA、trnL-UAG、
trnM-CAU、trnN-GUU*、trnP-UGG、trnQ-UUG、trnR-ACG*、trnR-UCU、
trnS-GCU、trnS-GGA、trnS-UGA、trnT-GGU、trnT-UGU、trnV-GAC*、trnV-UAC、
trnW-CCA、trnY-GUA、trnfM-CAU37 其他基因 成熟酶 matK 1 蛋白酶 clpP1 1 囊膜蛋白 cemA 1 乙酰辅酶 A 羧化酶 accD 1 c-型细胞色素合成基因 ccsA 1 翻译起始因子 infA 1 未知功能基因 保守假设叶绿体阅读框架 ycf1*、ycf15*、ycf2*、ycf3、ycf4 8 说明：*表示该基因的数量有2个。 -
叶绿体基因组中共检测到38个SSR位点，其中，单碱基重复有36个，双碱基重复有2个。其中，重复单元为A/T，重复频率为10的SSR位点数量最多(18个)，重复频率为11的SSR位点数量次之(11个)；重复单元为AT/AT、重复频率为6的SSR位点数量为2个。
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叶绿体基因组共鉴定到32个长重复序列，包括16个正向重复(15个30~39 bp，1个40~49 bp)，16个回文重复 (13个30~39 bp，2个40~49 bp，1个50~59 bp)，无反向重复和互补重复。
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‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组结构从LSC中间呈线性展开，均由1个LSC、1个SSC和2个IR (IRa和IRb) 4部分组成。‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种rpl22、rps19、rpl2、ycf1、ndhF、trnH和psbA位置基本一致，但收缩和扩张的长度存在一些差异(图2)。
图 2 ‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组大单拷贝区、小单拷贝区和反向重复区边界位置的比较
Figure 2. Comparison on the boundary locations of large single copy region, small single copy region and inverted repeat region in chloroplast genomes of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 10 related species
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‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组核苷酸多样性的变化范围为0~0.13927，高变区主要分布在LSC和SSC。LSC的trnL-UAA-trnF-GAA、cemA、rps12-exon1-clpP1、clpP1基因变异率最高；SSC的rpl32-trnL-UAG、ycf1基因变异率最高。
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叶绿体基因组87个CDS基因密码子3个位置GC比例的平均值为38.38%，GC1、GC2、GC3分别为45.98%、39.55%、29.60%，这说明GC在密码子3个位点上的分布存在显著差异，只有GC2与平均GC大致接近(图3)。ENC是密码子偏性分析的重要指标，通常将35作为区分值来评估密码子偏倚的强度。叶绿体基因组87个CDS 基因的平均ENC为47.29，ENC＞45的基因有60个，ENC＞35的基因有83个，有4个基因的ENC＜35，这表明叶绿体基因组的密码子偏性较弱。通过SPSS 20.0进行相关性分析，结果表明：密码子总GC比例(GCall)与GC1、GC2在0.01水平上均存在极显著的正相关，GCall与GC3在0.05水平上显著相关；GC1与GC2在0.05水平上存在显著正相关，但两者均与GC3不相关。这表明叶绿体基因组密码子前2位的碱基组成相似，而与第3位不相似。ENC与GC1、GC2、GC3均不相关，说明密码子上第1位、第2位和第3位的碱基组成对ENC没有显著影响。叶绿体基因组 87个CDS基因序列共有31个RSCU＞1的密码子。在这31个密码子中，除AUG、UUG外，其余都以A、U结尾，表明A、U碱基在密码子最后位点上出现的频率最高。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子偏好以A、U结尾(表2)。
图 3 ‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组密码子组成成分分析
Figure 3. Composition analysis of chloroplast genome codons of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 10 related species
表 2 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组同义密码子的使用频率
Table 2. Relative synonymous codon usage (RSCU) of chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
密码子 氨基酸 相对同义密码子
使用频率数量/个 密码子 氨基酸 相对同义密码子
使用频率数量/个 密码子 氨基酸 相对同义密码子
使用频率数量/个 GCA Ala 1.134 37 401 GGG Gly 0.731 07 333 CCU Pro 1.521 13 432 GCC Ala 0.718 53 254 GGU Gly 1.242 59 566 AGC Ser 0.342 61 119 GCG Ala 0.390 38 138 CAC His 0.479 87 149 AGU Ser 1.191 94 414 GCU Ala 1.756 72 621 CAU His 1.520 13 472 UCA Ser 1.197 70 416 AGA Arg 1.829 81 491 AUA Ile 0.909 09 680 UCC Ser 0.955 85 332 AGG Arg 0.633 54 170 AUC Ile 0.609 63 456 UCG Ser 0.595 97 207 CGA Arg 1.453 42 390 AUU Ile 1.481 28 1 108 UCU Ser 1.715 93 596 CGC Arg 0.368 94 99 CUA Leu 0.821 14 391 UAA Ter 1.655 17 48 CGG Arg 0.424 85 114 CUC Leu 0.434 72 207 UAG Ter 0.758 62 22 CGU Arg 1.289 44 346 CUG Leu 0.403 22 192 UGA Ter 0.586 21 17 AAC Asn 0.485 74 315 CUU Leu 1.297 86 618 ACA Thr 1.221 17 421 AAU Asn 1.514 26 982 UUA Leu 1.812 39 863 ACC Thr 0.771 57 266 GAC Asp 0.408 80 223 UUG Leu 1.230 66 586 ACG Thr 0.446 70 154 GAU Asp 1.591 20 868 AAA Lys 1.462 87 1 054 ACU Thr 1.560 55 538 UGC Cys 0.556 29 84 AAG Lys 0.537 13 387 UGG Trp 1.000 00 490 UGU Cys 1.443 71 218 AUG Met 1.987 34 628 UAC Tyr 0.397 12 193 CAA Gln 1.491 10 712 GUG Met 0.012 66 4 UAU Tyr 1.602 88 779 CAG Gln 0.508 90 243 UUC Phe 0.722 19 542 GUA Val 1.502 75 547 GAA Glu 1.477 52 1 035 UUU Phe 1.277 81 959 GUC Val 0.52473 191 GAG Glu 0.522 48 366 CCA Pro 1.193 66 339 GUG Val 0.524 73 191 GGA Gly 1.571 90 716 CCC Pro 0.742 96 211 GUU Val 1.447 80 527 GGC Gly 0.454 45 207 CCG Pro 0.542 25 154 -
分析发现：‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种植物叶绿体基因的GC3比例分布为0.142 9~0.443 2，GC12比例分布为0.285 7~0.658 5，两者大多沿对角线上方分布。两者的相关系数(r)为0.110 1 (R2=0.012 1)，相关不显著(P＞0.05)，回归斜率为0.117 5，说明GC12与GC3不相关(图4A)。表明‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子使用偏性很大程度上受自然选择的影响，而受突变压力的影响小。
图 4 ‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组密码子GC3-GC12分析(A)、ENC-plot分析(B)和PR2-plot分析(C)
Figure 4. GC3-GC12 analysis (A), ENC-plot analysis (B) and PR2-plot analysis (C) of chloroplast genome codons of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 10 related species
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分析表明：分布在期望曲线上或曲线附近的基因较少，分布在期望曲线下方且远离曲线的基因较多，说明大部分基因的实际ENC (ENCobs)与理论ENC (ENCexp)存在差异。为了解实际ENC和理论ENC的差异度，计算了‘怀玉山’高山马铃薯ENC比值频数，即(ENCexp-ENCobs)/ENCexp。结果表明：‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组基因中，有16.47%(14个)的基因分布在0~0.1区间，分布于期望曲线上或曲线附近，即ENCobs接近于ENCexp值，有83.53%的基因分布在0~0.1区间外，远离期望曲线分布，即ENCexp和ENCobs相差较大，表明自然选择是影响‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子使用偏性的主要因素，而突变压力的作用较小(图4B)。
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分析表明： A3/AU3轴、G3/GC3轴均以0.5为界限，发现4个平面内基因分布不均衡。从G3/GC3轴看，多数基因位于上方(＞0.5)，少数基因位于下方(＜0.5)；从A3/AU3轴看，多数基因位于左侧(＜0.5)，少数基因位于右侧(＞0.5)。这表明4种碱基在同义密码子第3位上存在C＞G、T＞A现象(图4C)。当密码子使用存在偏性完全受突变压力影响时，C和G以及A和T同义密码子在第3位上的分布应相等。因此，‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子使用偏性主要受自然选择等因素影响。
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RSCU分析可知：同时满足RSCU＞1和ΔRSCU≥0.08的密码子共10个，即CGU、AAA、CUU、GUU、GGA、GUA、GGU、UCA、GCU、CCU，这些密码子都以A、U结尾，被确定为‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组的最优密码子(表3)。
表 3 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因最优密码子筛选
Table 3. Optimal codon screening of chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
密码子 氨基酸 相对同义密
码子使用率密码子高表
达相对概率密码子低表
达相对概率ΔRSCU 密码子 氨基酸 相对同义密
码子使用率密码子高表
达相对概率密码子低表
达相对概率ΔRSCU CGU* Arg 1.289 44 0.631 58 1.428 57 0.796 99 UUU Phe 1.277 81 1.315 79 1.200 00 −0.115 79 AAA* Lys 1.462 87 1.000 00 1.750 00 0.750 00 UUG Leu 1.230 66 0.750 00 0.600 00 −0.150 00 CUU* Leu 1.297 86 1.022 73 1.500 00 0.477 27 AUU Ile 1.481 28 1.428 57 1.263 16 −0.165 41 GUU* Val 1.447 80 0.800 00 1.250 00 0.450 00 CAU His 1.520 13 1.333 33 1.000 00 −0.333 33 GGA* Gly 1.571 90 1.302 33 1.750 00 0.447 67 GAA Glu 1.477 52 1.469 39 1.000 00 −0.469 39 GUA* Val 1.502 75 1.400 00 1.750 00 0.350 00 ACA Thr 1.221 17 1.000 00 0.444 44 −0.555 56 GGU* Gly 1.242 59 1.302 33 1.500 00 0.197 67 CCA Pro 1.193 66 1.142 86 0.571 43 −0.571 43 UCA* Ser 1.197 70 1.000 00 1.153 85 0.153 85 GAU Asp 1.591 20 1.600 00 1.000 00 −0.600 00 GCU* Ala 1.756 72 2.105 26 2.250 00 0.144 74 AAU Asn 1.514 26 1.600 00 1.000 00 −0.600 00 CCU* Pro 1.521 13 1.571 43 1.714 29 0.142 86 CAA Gln 1.491 10 1.615 38 1.000 00 −0.615 38 AUG Met 1.987 34 1.000 00 1.000 00 0.000 00 AGU Ser 1.191 94 1.444 44 0.769 23 −0.675 21 UAA Ter 1.655 17 1.200 00 1.200 00 0.000 00 CGA Arg 1.453 42 1.421 05 0.714 29 −0.706 76 UGU Cys 1.443 71 1.000 00 1.000 00 0.000 00 UUA Leu 1.812 39 1.704 55 0.900 00 −0.804 55 ACU Thr 1.560 55 1.600 00 1.555 56 −0.044 44 UCU Ser 1.715 93 1.888 89 0.769 23 −1.119 66 GCA Ala 1.134 37 0.421 05 0.375 00 −0.046 05 AGA Arg 1.829 81 2.368 42 1.071 43 −1.296 99 UAU Tyr 1.602 88 1.548 39 1.500 00 −0.048 39 说明：标注*的密码子为最优密码子。 -
基于‘怀玉山’高山马铃薯和18个近缘种以及烟草属2个外类群物种叶绿体基因组构建的系统发育树分析可知：茄属聚为一大类，烟草属聚为另一大类。在茄属中，MLS与S. tuberosum NC_008096 (‘Ddeiree’)聚为一小分支。说明‘怀玉山’高山马铃薯与S. tuberosum ‘Ddeiree’亲缘关系较近，两者同源(图5)。
图 5 基于叶绿体基因组的‘怀玉山’高山马铃薯及其18个近缘种的系统发育树
Figure 5. Phylogenetic tree of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 18 related species based on chloroplast genome
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叶绿体基因组结构保守、独立母系遗传，是被子植物基因组的重要组成部分，广泛用于被子植物的生长发育、类群分析和进化分析[22]。被子植物叶绿体基因组大小一般为120~180 kb，IR大小一般为20~30 kb [23−24]。在本研究中，‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组长度和IR长度分别为155 296和25 593 bp，与S. tuberosum ‘Shepody’[16]叶绿体基因组长度和IR长度一致，与其他马铃薯品种[13−15, 17−18]相比，叶绿体基因组长度和IR长度不超过500 bp，说明马铃薯各个品种的叶绿体基因组较为保守。
叶绿体的SSR不仅与核基因组SSR一样，具有高多态性、多等位性、共显性[25]，也具有单亲遗传模式，结构简单、相对保守[26]，因此，叶绿体的SSR有较好的种间、种内遗传变异区分能力，已成为区分物种的重要分子标记而被广泛应用[27]。关惜今等[13]研究表明：S. fernandezianum与其野生近缘种(S. phureja、S. palustre、S. etuberosum)叶绿体基因组中共检测到36、36、42、40个SSR，SSR类型比较单一，只有单核苷酸和二核苷酸等2种类型，单核苷酸为Ａ和Ｔ等2种类型，二核苷酸包括TA和AT等2种类型，其数目比较少。本研究结果与此一致。在本研究中，在‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组中共检测到38个SSR位点，其中，单碱基重复有36个，双碱基重复有2个，较少的SSR位点存在表明‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组可能不易发生重排。
IR和单拷贝区(SC)边界的膨胀和收缩被认为是被子植物叶绿体全基因组大小变化的主要机制[28]，同一属不同品种叶绿体基因组IR/SC边界位置变化也不同[29]。关惜今等[13]研究表明：S. fernandezianum与其野生近缘种(S. phureja、S. palustre、S. etuberosum)叶绿体基因组rps19基因均横跨JLB，S. phureja的ndhF基因横跨JSB，S. fernandezianum、S. palustre、S. etuberosum的ndhF基因均右移，分布在SSC，S. fernandezianum、S. phureja、S. palustre、S. etuberosum的ycf1基因总长度为5 664 bp，均横跨SSC和IRa区域。在本研究中，对‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组 IR/SC 边界区域的分析结果表明：这些叶绿体基因组的IR都存在扩张或收缩的现象。‘怀玉山’高山马铃薯的rps19基因横跨 JLB，横跨 JLB的左边和右边长度分别为209和69 bp，在JSA，‘怀玉山’高山马铃薯ycf1基因为5 663 bp，左边和右边长度分别为4 541和1 122 bp。
许多植物存在密码子偏好性(CUB)，即某一或几种特定密码子频率超过其他同义密码子。密码子偏好性可用来评估基因组中蛋白质编码区(CDS)的密码子使用情况[30]。植物密码子偏好性是物种不断适应外界环境进化所导致的结果，生物获得特定的密码子使用模式以适应起源、进化、自然选择和突变压力等多种因素[31]。影响不同物种中密码子偏好性差异的因素主要有碱基突变、基因表达水平、自然选择等，自然选择和突变压力被认为是2个最重要的因素[32−34]。密码子第3 个碱基的同义突变不能改变氨基酸的类型，但被认为是决定氨基酸类型的重要特征，因此GC3 经常被用作密码子偏向的重要指标[35−36]。本研究发现‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组的平均GC 比例为38.38%，GC3为29.60%，更倾向于使用A/T 密码子。RSCU分析结果也证实了这一点。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组中存在A/T 密码子使用偏向，这与大多数高等植物的模式一致[37]。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组平均ENC为47.29，ENC＞35的基因有83个，有4个基因的ENC＜35，表明‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组的密码子偏性较弱。当密码子的使用受到自然选择的影响时，GC3值往往分布在一个较小的范围内，GC12和GC3之间没有显著的相关性[38]。密码子偏好性可以通过调节基因翻译的准确性和效率影响基因表达，基因表达水平越高，密码子偏好性越强[39−40]。通过建立的高低基因表达库，本研究挖掘到‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组10个最优密码子，即CGU、AAA、CUU、GUU、GGA、GUA、GGU、UCA、GCU、CCU，说明‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子更偏好于以A/U 结尾。筛选到的最优密码子可以用于设计叶绿体基因表达载体，以提高叶绿体基因组中基因的表达水平，也可以利用已知密码子的使用偏好来推测和预测未知基因的表达和功能，可为今后从遗传水平上进行‘怀玉山’高山马铃薯育种改良提供参考。
含有足够信息位点的叶绿体基因组已被证明可有效判断系统发育关系，甚至是在较低的分类学水平下植物之间也有较强的分类学意义，为物种间系统发育的研究提供了新的思路[41]。在本研究中，在茄属中‘怀玉山’高山马铃薯与S. tuberosum ‘Desiree’单独聚为一分支。说明‘怀玉山’高山马铃薯与S. tuberosum ‘Desiree’亲缘关系较近，表明两者同源，推测‘怀玉山’高山马铃薯可能是S. tuberosum ‘Desiree’从美国引种的。
综上所述，本研究测序组装了‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组全序列，分析了其编码蛋白基因的密码子使用特点，从高表达优越密码子和高频密码子中选出两者共有的密码子，最终筛选得到了10个叶绿体蛋白编码基因的最优密码子。‘怀玉山’高山马铃薯密码子的偏好性受到突变、选择及其他多方面因素的共同影响，但自然选择的影响更大，这为用基因工程手段改造外源基因密码子，提高其在‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体中的表达量提供了参考，也为在分子水平上研究茄科茄属植物的系统进化提供参考。
Chloroplast genome characteristics and codon usage preference of Solanum tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
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摘要:
目的 分析‘怀玉山’高山马铃薯Solanum tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’叶绿体基因组特征及密码子使用偏好性，为开展‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子优化、叶绿体基因组改造，探索物种进化和增加外源基因表达等研究提供参考依据和理论基础。 方法 采用高通量测序技术对‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组进行测序，并利用生物信息学分析软件对组装和注释后的叶绿体基因组进行结构、基因组成及密码子偏好性分析。 结果 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组大小为155 296 bp，为经典的4段式结构。大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和反向重复区(IR)长度分别为85 737、18 373、25 593 bp，总鸟嘌呤和胞嘧啶所占的比例(GC比例)为37.88%，共注释出133个基因，包含87个编码区(CDS)基因、37个tRNA基因、8个rRNA基因和1个假基因。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组中共检测到38个简单重复序列位点(SSR位点，36个单碱基重复和2个双碱基重复)和32个长重复序列(16个正向重复和16个回文重复)。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组核苷酸多样性为0~0.139 27，高变区主要分布在大单拷贝区和小单拷贝区，大单拷贝区trnL-UAA-trnF-GAA、cemA、rps12-exon1-clpP1、clpP1基因变异率最高，小单拷贝区rpl32-trnL-UAG、ycf1基因变异率最高。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组87个CDS基因的平均有效密码子数(ENC)为47.29，ENC＞45的基因有60个，密码子偏性较弱。‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组密码子偏好以A、U结尾，使用偏性很大程度上受自然选择的影响，而受突变压力的影响小。CGU、AAA、CUU、GUU、GGA、GUA、GGU、UCA、GCU、CCU为‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组的10个最优密码子。 结论 ‘怀玉山’高山马铃薯与马铃薯栽培种S. tuberosum‘Desiree’亲缘关系较近。图5表3参41 Abstract:Objective This study aims to analyze the chloroplast genome characteristics and codon usage preference of Solanum tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’, so as to provide a reference and theoretical basis for future research on chloroplast genome codon optimization, chloroplast genome modification, exploration of species evolution, and increased expression of exogenous genes. Method The chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ was sequenced by high-throughput sequencing technology. The structure, gene composition and codon preference of the assembled and annotated chloroplast genome were analyzed using bioinformatics analysis software. Result The chloroplast genome size of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ was 155 296 bp, which was a classical 4-segment structure. The length of large single copy region (LSC), small single copy region (SSC) and inverted repeat region (IR) was 85 737, 18 373 and 25 593 bp respectively, and the proportion of total guanine and cytosine (GC ratio) was 37.88%. A total of 133 genes were released, including 87 CDS genes, 37 tRNA genes, 8 rRNA genes and 1 pseudogene. A total of 38 simple sequence repeat (SSR) loci (36 single base repeats and 2 double base repeats) and 32 long repeat sequences (16 forward repeats and 16 palindrome repeats) were detected in the chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’. The variation range of nucleotide diversity of chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ was 0 − 0.139 27. The hypervariable regions were mainly distributed in LSC and SSC regions. LSC region had the highest mutation rates of trnL-UAA-trnF-GAA, cemA, rps12-exon1-clpP1 and clpP1 genes, while SSC region had the highest mutation rates of rpl32-trnL-UAG and ycf1 genes. The average effective number of codon (ENC) value of 87 CDS genes in the chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ was 47.29, and there were 60 genes with ENC value larger than 45, indicating weak codon preference. The preference for codons ending with A and U in the chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ was largely affected by natural selection, and less affected by mutation pressure. CGU, AAA, CUU, GUU, GGA, GUA, GGU, UCA, GCU, and CCU were the 10 best codons in the chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’. Conclusion S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ has a close genetic relationship with S. tuberosum ‘Desiree’. [Ch, 5 fig. 3 tab. 41 ref.] -
过去20 a间，全球气候发生了巨大变化，对生态系统的结构和功能产生了深远影响[1]。气候改变会导致植物体内非结构性碳水化合物(NSC)的变化。有研究表明：气候变暖显著降低了陆地植被的NSC、可溶性糖和淀粉质量分数[2]。NSC主要由可溶性糖和淀粉组成，参与植物细胞在逆境下的渗透调节过程[3]。NSC在植物体内的累积量一定程度上可以反映植物体内碳的供需平衡关系，对维持植物体渗透调节、水力传输和生长发育，缓冲树木在年际、季节和器官间碳供需关系至关重要[4]。NSC质量分数是反映植物生存策略的重要指标[5−7]，在改善植物对干旱环境的适应性、保持植物不利条件下的生长和提高植物存活率方面发挥着关键作用[8]。
降水格局变化是全球气候变化的研究热点[9]，深刻影响着区域干旱[10−11]、地表径流[12−14]、河流水量[14−15]等，同时也间接作用于生态系统的弹性与安全[16]。降水是植物获取水分的重要来源，是植物生长的关键因素[17]。降水量减少会导致树木死亡，严重损害森林生态系统的固碳能力[18−19]。目前，有关降水格局变化对植物NSC的影响仅在少数植物，如红砂Reaumuria soongarica[20]和马尾松Pinus massoniana[21]等上有研究。其中，红砂幼苗NSC质量分数在干旱胁迫下随胁迫时间的增加而增加[20]，持续隔离降水导致马尾松针叶NSC质量分数先显著增加后减少[21]。这说明不同树种在面临干旱条件时可能会采取不同方式调节各器官的NSC质量分数来适应干旱，但是目前对南方造林面积最大的树种杉木Cunninghamia lanceolata鲜有报道。因此，研究中国亚热带地区降水格局变化下先锋树种杉木的生理生态特性，对预测未来气候条件下基于碳水化合物调节的杉木适应降水变化的生理机制极具价值。
杉木作为一种重要的速生针叶木材种类，以其迅速的生长速度、笔直的干形和上乘的材料而著称[22]，在中国人工林木材资源中占比很大[23−24]。但是，季节性干旱事件的频繁发生，对杉木人工林生产能力带来的负面影响逐渐加剧。杉木的树高与胸径比值较高，使其更容易受到极端气候的影响[25]。然而关于杉木幼苗不同器官NSC及其相关组分对降水格局变化的响应策略以及在降水格局变化时杉木人工林应制定的管理策略尚不清楚。本研究通过分析杉木幼苗不同器官NSC及其相关组分(可溶性糖、淀粉)在不同降水量和不同降水间隔的变化与分配情况，旨在全面和深入掌握杉木生长季中不同器官NSC对不同降水格局变化的响应，为亚热带地区杉木人工林的科学抚育管理提供理论指导和科学依据。
1. 研究方法
1.1 研究区概况
研究区位于江西省南昌市(28°10′~29°11′N，115°27′~116°35′E)，属亚热带湿润季风气候，极高温为40.9 ℃，极低温为−15.2 ℃，年平均气温为17.0 ℃，年平均降水量为1 600.0~1 700.0 mm，年平均相对湿度为78.5%。森林覆盖率为21.3%，主要植被类型为常绿阔叶林，主要土壤类型为红壤[26]。
1.2 试验设计
试验开展于江西农业大学中药园。2021年4月，将2年生杉木幼苗置于40 cm×40 cm×50 cm的长方体花盆中开始缓苗，8月开始控制试验，7:00—8:00对幼苗进行降水，其余生态因子均保持一致，2022年1月结束试验。杉木幼苗胸径为1.5 cm，树高为1.0~1.3 m。以南昌1955—2018年旱季的月平均降水量(69.12 mm)为对照组(ck)，分别设置减少30%、50%、80%降水量的处理组(W-30%、W-50%、W-80%)。在此基础上，参考南昌1955—2018年实测降水间隔数据，设置降水间隔5和10 d (T5和T10) 2个处理。因此，降水格局共8个处理组，每处理5次重复，共40盆。
1.3 测定指标和方法
样品收集过程中，先从盆里完整地取出杉木幼苗，再用保鲜膜包裹根系，确保根系完整性的同时防止水分流失，并迅速将样品带回实验室。将杉木幼苗分为叶、枝条、枝干、运输根、吸收根5个部分，因幼苗较小，枝干为地上部分最粗壮的主干，枝条为除去主干后的其余地上分支[27]。放入105 ℃的烘箱中烘烤30 min，然后在60 ℃下烘干至恒量，研磨粉碎过0.25 mm筛，测定NSC及其相关组分质量分数。可溶性糖质量分数采用蒽酮比色法测定，淀粉质量分数采用稀酸水解法测定，NSC质量分数为可溶性糖和淀粉质量分数的总和[28−29]。其中，根系按照欧阳园丽等[30]的根序级别划分方式分级。
1.4 数据处理与分析
所有数值以平均值±标准差表示。数据分析和绘图采用R 4.3.0进行。采用线性混合模型分析降水格局对杉木幼苗不同器官NSC及其相关组分的影响；单因素方差(one-way ANOVA)分析不同降水量同一降水间隔不同器官NSC及其相关组分的差异。
2. 结果与分析
2.1 不同降水格局下杉木幼苗各器官可溶性糖质量分数变化
降水量对杉木幼苗不同器官可溶性糖质量分数具有极显著影响(P＜0.01)，降水间隔则整体无显著影响(表1)。由图1可知：降水间隔对运输根和叶的可溶性糖质量分数有显著影响(P＜0.05)，对吸收根、枝干和枝条无显著影响。T5处理下，随着降水量的减少，可溶性糖质量分数在吸收根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势，其中，枝条可溶性糖质量分数在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，比ck降低了71.9%；可溶性糖质量分数在运输根和枝干中表现为持续减少，均在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了72.8%和63.1%。T10处理下，随着降水量减少，可溶性糖质量分数在吸收根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势，其中，吸收根的可溶性糖质量分数在W-30%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，为ck的9.6倍；在运输根和枝干中可溶性糖质量分数表现为先减少后增加再减少，均在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了87.9%和65.8%。
表 1 降水格局对杉木幼苗不同器官可溶性糖、淀粉、NSC质量分数影响的线性混合模型分析Table 1 Effect of precipitation patterns on soluble sugar, starch and NSC content of different organs of C. lanceolata seedlings based on analysis of linear mixed-effects models影响因素 可溶性糖 淀粉 NSC F P F P F P W 29.06 ＜0.001 87.72 ＜0.001 129.55 ＜0.001 T 0.98 0.320 0.20 0.660 2.73 0.100 G 66.30 ＜0.001 119.74 ＜0.001 98.46 ＜0.001 W×T 2.56 ＜0.100 2.18 ＜0.100 9.28 ＜0.001 W×G 5.42 ＜0.001 11.79 ＜0.001 20.13 ＜0.001 T×G 3.83 ＜0.010 0.38 0.820 3.98 ＜0.010 W×T×G 0.96 0.490 4.57 ＜0.001 4.03 ＜0.001 说明：W. 不同降水量处理；T. 不同降水间隔处理；G. 杉木幼苗不同器官；×表示交互作用。P＜0.01表示差异极显著。 
图 1 不同降水量和降水间隔对杉木幼苗各器官可溶性糖质量分数的影响Figure 1 Effects of different precipitation amount and intervals on soluble sugar content in different organs of C. lanceolata seedlings2.2 不同降水格局下杉木幼苗各器官淀粉质量分数变化
降水量对杉木幼苗不同器官淀粉质量分数具有极显著影响(P＜0.01)，降水间隔则整体无显著影响(表1)。由图2可知：T5处理下，随着降水量的减少，淀粉质量分数在吸收根、运输根和叶中呈先增加后减少的趋势，其中，运输根和叶的淀粉质量分数在W-30%处理下最大，均显著高于ck (P＜0.05)，分别为ck的2.6和1.9倍。T10处理下，随着降水量的减少，淀粉质量分数在吸收根、运输根、叶、枝干和枝条中均呈先增加后减少的趋势，其中，运输根的淀粉质量分数在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，比ck降低了78.0%；叶的淀粉质量分数在W-30%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，为ck的2.5倍；枝干的淀粉质量分数在W-50%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，为ck的1.8倍。
图 2 不同降水量和降水间隔对杉木幼苗各器官淀粉质量分数的影响Figure 2 Effects of different precipitation amount and intervals on starch content in different organs of C. lanceolata seedlings2.3 不同降水格局下杉木幼苗各器官NSC质量分数变化
降水量对杉木幼苗不同器官NSC质量分数具有极显著影响(P＜0.01)，降水量和降水间隔的共同作用对NSC质量分数整体有极显著影响(P＜0.01)，降水间隔则整体无显著影响(表1)。T5处理下，随着降水量的减少，NSC质量分数在吸收根、运输根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势(图3)，其中，吸收根和叶的NSC质量分数在W-50%处理下最大，均显著高于ck (P＜0.05)，分别为ck的3.6和2.2倍；运输根和枝条的NSC质量分数在W-80%处理下最小，均显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了79.5%和63.3%；NSC质量分数在枝干中表现为持续减少，在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，比ck降低了53.9%。T10处理下，随着降水量的减少，NSC质量分数在吸收根、叶和枝条中呈先增加后减少的趋势，且吸收根、叶和枝条的NSC质量分数均在W-50%处理下最大，显著高于ck (P＜0.05)，分别为ck的5.3、3.0和1.7倍；NSC质量分数在运输根中表现为先减少后增加再减少，在枝干中表现为持续减少，均在W-80%处理下最小，显著低于ck (P＜0.05)，分别降低了88.7%和61.5%。
图 3 不同降水量和降水间隔对杉木幼苗各器官NSC质量分数的影响Figure 3 Effects of different precipitation amount and intervals on NSC content in different organs of C. lanceolata seedlings3. 讨论
3.1 降水量的改变对杉木幼苗不同器官NSC的影响
NSC在树木生长和新陈代谢过程中发挥着重要作用，其质量分数和分布可用于推断植物碳储量状况以及对不同环境的生长适应性[31−32]。本研究发现：杉木幼苗不同器官可溶性糖、淀粉和NSC质量分数对降水量变化具有显著响应。植物体内NSC积累可减少基本代谢活动，延长存活时间[31]；可溶性糖的增加可降低植物水势，维持细胞膨胀压力，增加植物的吸水量[33]；淀粉的增加可促进植物抗性的提高，在逆境条件下为植物提供更多的能量[34]。当降水量减少时，杉木幼苗可溶性糖主要分布于叶、枝条和枝干等地上部分，这可能是因为树干、枝条、叶中的淀粉水解转化为可溶性糖，有利于提高渗透势，促进植物吸水，最终增强植物光合固碳的过程并促进植物生长[35]，且树干和枝条中更多的NSC也有利于提高杉木幼苗的抗逆性[36]。这说明可溶性糖直接参与植物的生理活动，其渗透调节功能是植物应对干旱胁迫的重要方式[37]，而叶、枝条和枝干是树木的碳源器官[38]，树木代谢活动的中间产物暂时储存在叶片中，降水量减少情况下需要大量的可溶性糖来帮助其维持正常的细胞张力[39]。植物体内可溶性糖和淀粉成分的比例和动态变化，即NSC的储存和转化机制，在缺水条件下可以维持植物生长、呼吸、繁殖等功能[40]。一定程度的干旱会促进植物体淀粉转化为可溶性糖，维持细胞膨压、抵御并适应干旱环境[41]。而淀粉作为植物体内重要的能量储存物质，其质量分数高低代表了植物耐受力的强弱。当降水量减少到一定程度时(W-30%、W-50%)，淀粉主要存在于运输根和枝干等运输器官中。植物具有固碳能力，杉木幼苗通过存储更多的淀粉来应对缺水环境，以保持其新陈代谢的稳定[42]；但降水量过少时(W-80%)，树木会加快分解淀粉[43]，导致淀粉质量分数先增后降。因此，降水量减少到一定程度时，会促进杉木幼苗的生长，导致NSC及其组分在植物体内形成和积累；杉木幼苗对降水量变化的响应是增加运输根、吸收根、叶和枝条的可溶性糖和淀粉，同时将吸收根中的淀粉水解为可溶性糖，以调节细胞内的水势，从而应对降水格局的变化。当降水量过少时，杉木幼苗通过减少运输根、枝干和枝条的NSC来应对降水格局的变化，各器官内的可溶性糖和淀粉质量分数并未发生转化，这是因为降水量过少时杉木会消耗体内的NSC及其组分，优先供给吸收根的生存需求。这与云南松Pinus yunnanensis[44]及樟子松Pinus sylvestris var. mongolica[45]的研究结果相似。
3.2 降水间隔的改变对杉木幼苗不同器官非结构性碳的影响
降水的频率是影响植物生存、生长、物种组成及结构的重要因素[46]，降水间隔的变化会影响植物遭受干旱的持续时间，而植物正常的生理代谢活动如生长、光合作用、呼吸作用等会受到干旱胁迫的影响，破坏植物体内碳供需的平衡，碳的转化和储存之间的关系也会随之改变，此时植物会调动储存在机体内的NSC，使其发生转移或转化，引起不同干旱时间下NSC的动态变化[47]。本研究发现：降水间隔和杉木幼苗不同器官之间的交互作用显著影响可溶性糖和NSC质量分数。随着降水间隔的增加，杉木幼苗各器官NSC及其组分质量分数呈波动性变化，运输根和叶的可溶性糖有显著差异，与T5处理相比，T10处理下叶的可溶性糖质量分数显著下降，运输根的可溶性糖质量分数显著上升；运输根和叶的NSC质量分数有显著差异，与T5处理相比，延长降水间隔导致叶和运输根的NSC质量分数显著上升。可能是因为延长降水间隔时，杉木新吸收的碳水化合物主要流向运输根，以维持资源供应；可溶性糖在叶片中转化为淀粉，增加细胞膨胀压力，提高杉木的抗旱能力。在延长降水间隔的条件下，杉木选择将生物量更多地分配给能够获取资源的器官(根和叶)，而非主要起运输和支持作用的器官(茎)，尽可能增大叶片面积来增加叶片碳水化合物的供应，从而维持自身的光合和生长过程，这与郭旭曼等[48]在桢楠Phoebe zhennan上的研究相似。杉木幼苗各器官的NSC并没有全部随着时间的推移而减少，这可能是由于在长期无降水的情况下，植物体内储存的碳未被充分利用或碳储量的利用率有限，因此即使植物死亡也不会发生碳耗竭[49−50]。由于杉木林深层土壤含水量较低，干旱下幼苗可通过降低生长，将NSC及其相关组分供给根系等获取水分的器官，但仍需根据当地气候条件来调整浇水间隔，高降水量条件下适当延长降水间隔更有利于植物利用地表和深层土壤水分[51]，使幼苗更好地成长。建议维持土壤含水量不低于当地多年旱季月平均降水量的50%，以保证杉木林中萌发的幼苗能够存活，完成天然更新。在经济条件较好的地区，可以实行定期喷灌的管理，保持土壤含水量在当地多年旱季月平均降水量的70%以上，同时根据当地气候条件可以适当延长浇水间隔，提高杉木幼苗存活率。
4. 结论
为适应环境的变化，不同降水格局下杉木幼苗NSC及其相关组分会发生不同的转化和增减。当降水量减少时，杉木幼苗叶、枝条和枝干等地上器官NSC中可溶性糖的转化比例增加，储藏在根系，由运输根转移至吸收根，促进植物生长；延长降水间隔能促使杉木幼苗叶中的NSC转移到根系，提高根系水分获取能力，防止植物因缺水而死亡。为提高杉木人工林在降水格局变化下的存活率，土壤含水量应保持在当地多年旱季月平均降水量的50%以上，降水量较高地区可以适当延长浇水间隔。
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图 1 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组图谱
Figure 1 Chloroplast genome map of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
图 2 ‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组大单拷贝区、小单拷贝区和反向重复区边界位置的比较
Figure 2 Comparison on the boundary locations of large single copy region, small single copy region and inverted repeat region in chloroplast genomes of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 10 related species
图 3 ‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组密码子组成成分分析
Figure 3 Composition analysis of chloroplast genome codons of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 10 related species
图 4 ‘怀玉山’高山马铃薯及其10个近缘种叶绿体基因组密码子GC3-GC12分析(A)、ENC-plot分析(B)和PR2-plot分析(C)
Figure 4 GC3-GC12 analysis (A), ENC-plot analysis (B) and PR2-plot analysis (C) of chloroplast genome codons of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 10 related species
图 5 基于叶绿体基因组的‘怀玉山’高山马铃薯及其18个近缘种的系统发育树
Figure 5 Phylogenetic tree of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’ and its 18 related species based on chloroplast genome
表 1 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因功能分类
Table 1. Chloroplast gene functional classification of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
基因功能 基因类型 基因名 基因数
量/个光合作用 光系统Ⅰ psaA、psaB、psaC、psaI、psaJ 5 光系统Ⅱ psaJ、psbA、psbB、psbC、psbD、psbE、psbF、psbH*、psbI、psbK、psbL、psbM、
psbT、psbZ15 NADH 脱氢 ndhA、ndhB*、ndhC、ndhD、ndhE、ndhF、ndhG、ndhH、ndhI、ndhJ、ndhK 12 细胞色素 b/f 复合体 petA、petB、petD、petG、petL、petN 6 ATP 合成酶 atpA、atpB、atpE、atpF、atpH、atpI 6 自我复制 核糖体大亚基蛋白质 rpl14、rpl16、rpl2*、rpl20、rpl22、rpl23*、rpl32、rpl33、rpl36 11 核糖体小亚基蛋白质 rps11、rps12*、rps14、rps15、rps16、rps18、rps19、
rps2、rps3、rps4、rps7*、rps814 核糖体大亚基 rbcL 1 RNA 聚合酶 rpoA、rpoB、rpoC1、rpoC2 4 核糖体RNA rrn16*、rrn23*、rrn4.5*、rrn5* 8 转运RNA trnA-UGC*、trnC-GCA、trnD-GUC、trnE-UUC、trnF-GAA、trnG-GCC、trnG-UCC、
trnH-GUG、trnI-CAU*、trnI-GAU*、trnK-UUU、trnL-CAA*、trnL-UAA、trnL-UAG、
trnM-CAU、trnN-GUU*、trnP-UGG、trnQ-UUG、trnR-ACG*、trnR-UCU、
trnS-GCU、trnS-GGA、trnS-UGA、trnT-GGU、trnT-UGU、trnV-GAC*、trnV-UAC、
trnW-CCA、trnY-GUA、trnfM-CAU37 其他基因 成熟酶 matK 1 蛋白酶 clpP1 1 囊膜蛋白 cemA 1 乙酰辅酶 A 羧化酶 accD 1 c-型细胞色素合成基因 ccsA 1 翻译起始因子 infA 1 未知功能基因 保守假设叶绿体阅读框架 ycf1*、ycf15*、ycf2*、ycf3、ycf4 8 说明：*表示该基因的数量有2个。 
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表 2 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因组同义密码子的使用频率
Table 2. Relative synonymous codon usage (RSCU) of chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
密码子 氨基酸 相对同义密码子
使用频率数量/个 密码子 氨基酸 相对同义密码子
使用频率数量/个 密码子 氨基酸 相对同义密码子
使用频率数量/个 GCA Ala 1.134 37 401 GGG Gly 0.731 07 333 CCU Pro 1.521 13 432 GCC Ala 0.718 53 254 GGU Gly 1.242 59 566 AGC Ser 0.342 61 119 GCG Ala 0.390 38 138 CAC His 0.479 87 149 AGU Ser 1.191 94 414 GCU Ala 1.756 72 621 CAU His 1.520 13 472 UCA Ser 1.197 70 416 AGA Arg 1.829 81 491 AUA Ile 0.909 09 680 UCC Ser 0.955 85 332 AGG Arg 0.633 54 170 AUC Ile 0.609 63 456 UCG Ser 0.595 97 207 CGA Arg 1.453 42 390 AUU Ile 1.481 28 1 108 UCU Ser 1.715 93 596 CGC Arg 0.368 94 99 CUA Leu 0.821 14 391 UAA Ter 1.655 17 48 CGG Arg 0.424 85 114 CUC Leu 0.434 72 207 UAG Ter 0.758 62 22 CGU Arg 1.289 44 346 CUG Leu 0.403 22 192 UGA Ter 0.586 21 17 AAC Asn 0.485 74 315 CUU Leu 1.297 86 618 ACA Thr 1.221 17 421 AAU Asn 1.514 26 982 UUA Leu 1.812 39 863 ACC Thr 0.771 57 266 GAC Asp 0.408 80 223 UUG Leu 1.230 66 586 ACG Thr 0.446 70 154 GAU Asp 1.591 20 868 AAA Lys 1.462 87 1 054 ACU Thr 1.560 55 538 UGC Cys 0.556 29 84 AAG Lys 0.537 13 387 UGG Trp 1.000 00 490 UGU Cys 1.443 71 218 AUG Met 1.987 34 628 UAC Tyr 0.397 12 193 CAA Gln 1.491 10 712 GUG Met 0.012 66 4 UAU Tyr 1.602 88 779 CAG Gln 0.508 90 243 UUC Phe 0.722 19 542 GUA Val 1.502 75 547 GAA Glu 1.477 52 1 035 UUU Phe 1.277 81 959 GUC Val 0.52473 191 GAG Glu 0.522 48 366 CCA Pro 1.193 66 339 GUG Val 0.524 73 191 GGA Gly 1.571 90 716 CCC Pro 0.742 96 211 GUU Val 1.447 80 527 GGC Gly 0.454 45 207 CCG Pro 0.542 25 154
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表 3 ‘怀玉山’高山马铃薯叶绿体基因最优密码子筛选
Table 3. Optimal codon screening of chloroplast genome of S. tuberosum var. cormosus ‘Huaiyushan’
密码子 氨基酸 相对同义密
码子使用率密码子高表
达相对概率密码子低表
达相对概率ΔRSCU 密码子 氨基酸 相对同义密
码子使用率密码子高表
达相对概率密码子低表
达相对概率ΔRSCU CGU* Arg 1.289 44 0.631 58 1.428 57 0.796 99 UUU Phe 1.277 81 1.315 79 1.200 00 −0.115 79 AAA* Lys 1.462 87 1.000 00 1.750 00 0.750 00 UUG Leu 1.230 66 0.750 00 0.600 00 −0.150 00 CUU* Leu 1.297 86 1.022 73 1.500 00 0.477 27 AUU Ile 1.481 28 1.428 57 1.263 16 −0.165 41 GUU* Val 1.447 80 0.800 00 1.250 00 0.450 00 CAU His 1.520 13 1.333 33 1.000 00 −0.333 33 GGA* Gly 1.571 90 1.302 33 1.750 00 0.447 67 GAA Glu 1.477 52 1.469 39 1.000 00 −0.469 39 GUA* Val 1.502 75 1.400 00 1.750 00 0.350 00 ACA Thr 1.221 17 1.000 00 0.444 44 −0.555 56 GGU* Gly 1.242 59 1.302 33 1.500 00 0.197 67 CCA Pro 1.193 66 1.142 86 0.571 43 −0.571 43 UCA* Ser 1.197 70 1.000 00 1.153 85 0.153 85 GAU Asp 1.591 20 1.600 00 1.000 00 −0.600 00 GCU* Ala 1.756 72 2.105 26 2.250 00 0.144 74 AAU Asn 1.514 26 1.600 00 1.000 00 −0.600 00 CCU* Pro 1.521 13 1.571 43 1.714 29 0.142 86 CAA Gln 1.491 10 1.615 38 1.000 00 −0.615 38 AUG Met 1.987 34 1.000 00 1.000 00 0.000 00 AGU Ser 1.191 94 1.444 44 0.769 23 −0.675 21 UAA Ter 1.655 17 1.200 00 1.200 00 0.000 00 CGA Arg 1.453 42 1.421 05 0.714 29 −0.706 76 UGU Cys 1.443 71 1.000 00 1.000 00 0.000 00 UUA Leu 1.812 39 1.704 55 0.900 00 −0.804 55 ACU Thr 1.560 55 1.600 00 1.555 56 −0.044 44 UCU Ser 1.715 93 1.888 89 0.769 23 −1.119 66 GCA Ala 1.134 37 0.421 05 0.375 00 −0.046 05 AGA Arg 1.829 81 2.368 42 1.071 43 −1.296 99 UAU Tyr 1.602 88 1.548 39 1.500 00 −0.048 39 说明：标注*的密码子为最优密码子。
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20230169
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