-
毛竹Phyllostachys edulis为竹亚科Bambusoideae刚竹属Phyllostachys的散生竹种,广泛分布于东亚和东南亚,其种植面积高达460多万hm2[1]。由于生长速度快并且富含纤维素和半纤维素,毛竹是中国重要的固碳植物和工业原料来源[2−3]。毛竹的种下分类群具有丰富的变型和栽培变型,主要表现在秆型和秆色等方面的变异[4]。毛竹的秆色变异栽培种是优良的园林观赏竹类资源,主要包括花毛竹Ph. edulis f. taokiang、黄皮毛竹Ph. edulis f. holochrysa、绿槽毛竹Ph. edulis f. bicolor、黄槽毛竹Ph. edulis f. luteosulcata和绿槽龟甲竹Ph. edulis f. lücaoguijiazhu等。
高等植物的叶绿体是半自主的细胞器,具有相对保守的遗传体系[5]。叶绿体基因组为母系遗传物质,结构保守,进化速率均衡,分别可以应用于目级、科级、属级、种级的系统发育关系重建[6]。HUANG等[7]通过叶绿体基因组系统进化分析,将11个榕属Ficus物种根据不同亚属进一步划分为3个支系,同时发现榕属与桑属Morus植物的属间亲缘关系。ZHANG等[8]通过对17个孩儿参Pseudostellaria heterophylla品种的完整叶绿体基因组序列分析,发现中国种群被聚类为单系群,其中不开花的品种形成了独立的亚支系,并且揭示了孩儿参的种内变异,进一步支持了叶绿体基因组可以阐明近缘物种之间亲缘关系的观点。迄今为止,绿槽毛竹[9]、厚壁毛竹Ph. edulis f. pachyloen[10]、青龙竹Ph. edulis f. curviculmis[11]和龟甲竹Ph. edulis f. tubiformis[12]的叶绿体基因组已发布;这些毛竹种下分类群的叶绿体基因组大小均为139 678 bp,包含126~132个基因,其中包括84~85个蛋白质编码基因、8个rRNA和34~39个tRNA。黄槽毛竹是毛竹中秆色变异类型的重要栽培类型,表现为茎秆节间槽部失绿而秆壁绿色,具有较好的观赏价值[13]。黄槽毛竹的叶绿体基因组资料未见报道,并且毛竹种下分类群的叶绿体基因组之间的比较缺乏研究。本研究将对黄槽毛竹的叶绿体基因组进行组装注释,分析其基因组特征,并比较与其他毛竹种下分类群之间的叶绿体遗传信息差异和系统进化关系。
-
黄槽毛竹绿色组织的二代测序获得42.78 Gb的原始数据,包含了285 198 507对读段。原始数据被清洗后,获得283 052 833对长度大于50 bp且平均碱基质量值大于25的读段。经GetOrganelle组装获得黄槽毛竹叶绿体基因组序列大小为139 678 bp。该叶绿体基因组具有典型的环状四分体结构,由大单拷贝区域(LSR)、小单拷贝区域(SSR)、2个反向互补重复区域(IRs)等4个部分组成,其中LSR长度为83 212 bp,SSR长度为12 870 bp,2个IRs (IRA和IRB)长度为43 596 bp (图1)。整个叶绿体基因组中GC含量为38.88%,LSC、SSC和IRs区域GC含量分别为36.97%、33.17%和44.22%,其中IRs区域GC含量明显高于2个单拷贝区域。
-
黄槽毛竹叶绿体基因组总共包含132个基因,包括85个蛋白质编码基因、39个tRNA、8个rRNA (表1)。根据生物学功能可以将85个蛋白质编码基因分为以下三大类:与光合作用相关基因共50个;与表达相关基因共31个;其他基因共4个。该基因组中共12个基因具有内含子结构[ndhA、ndhB(2)、petB、petD、atpF、rpl16、rpl2(2)、ycf3、rps16和rpoC2],1个蛋白质编码基因含有反式剪接基因(rps12)。由于绿槽毛竹具有绿色的节间秆槽和黄色的节间秆壁,与黄槽毛竹的秆色表型相反,本研究比较了黄槽毛竹、绿槽毛竹和毛竹原变种的叶绿体基因组信息,发现黄槽毛竹叶绿体基因组的蛋白质编码基因、tRNA与毛竹原变种有所差异(表2),相较于绿槽毛竹及毛竹原变种,黄槽毛竹的蛋白质编码基因缺少2个ycf68。黄槽毛竹叶绿体基因组的蛋白质编码基因数量也同毛竹原变种有所不同,前者比后者多1个编码基因rps12。
基因类别 基因分组 基因列表 光合作用基因 ATP合酶亚基 atpA、atpB、atpE 、 atpF*、atpH 、atpI 依赖ATP的Clp蛋白酶蛋白水解亚基 clpP 光合系统Ⅱ亚基 psbA、psbB、psbC、psbD、psbE 、psbF、psbH、psbI 、psbJ、psbK 、psbL、psbM 、psbN 、psbT 、psbZ NADH脱氢酶亚基 ndhA*、ndhB*、ndhB*、ndhC 、ndhD 、ndhE 、ndhF 、ndhG、ndhH 、ndhI 、ndhJ 、ndhK 细胞色b/f 复合物亚基 petA、petB*、petD*、petG 、petL 、petN 光合系统Ⅰ亚基 psaA、psaB、psaC 、psaI 、psaJ 光合系统Ⅰ组件 ycf2、 pafI (ycf3)** 、ycf2 光合系统Ⅱ组件 pafⅡ (ycf4) 二磷酸核酮糖羧化酶亚基 rbcL 表达相关基因 核糖体大亚基 rpl14、rpl16*、rpl20、rpl22、rpl23、rpl23 、rpl32 、rpl33 、rpl36、rpl2*、rpl2* 依赖DNA的RNA 聚合酶 rpoA、rpoB 、rpoC1 、rpoC2* 核糖体小亚基 rps2、rps3、rps4、rps7、rps7、rps8、rps11、rps12 、rps12、rps14、rps15、rps15、rps16*、rps18、rps19、rps19 rRNA基因 rrn16S、rrn23S 、rrn4.5S、rrn5S 、rrn5S、rrn4.5S、rrn23S、rrn16S tRNA基因 trnA-UGC*、trnA-UGC*、trnC-GCA、trnD-GUC、trnE-UUC、trnF-GAA、trnG-GCC、trnH-GUG、trnH-GUG、trnI-CAU、trnI-CAU、trnI-GAU*、trnI-GAU*、trnK-UUU*、trnL-CAA、trnL-CAA、trnL-UAA*、trnL-UAG、trnM-CAU、trnM-CAU、trnM-CAU、trnN-GUU、trnN-GUU、trnP-UGG、trnQ-UUG、trnR-ACG、trnR-ACG、trnR-UCU、trnS-CGA*、trnS-GCU、trnS-GGA、trnS-UGA、trnT-GGU、trnT-UGU、trnV-GAC、trnV-GAC、trnV-UAC*、trnW-CCA、trnY-GUA 其他基因 C型细胞色素合成基因 ccsA 胞膜蛋白 cemA 成熟酶 matK 翻译起始因子 infA 说明:加粗代表多拷贝的基因;*表示带1个内含子的基因;**表示带2个内含子的基因。 Table 1. Gene of the Ph. edulis f. luteosulcata chloroplast genome
项目 黄槽毛竹 毛竹 绿槽毛竹 蛋白编码基因数量 85 84 83 转运RNA数量 − − − 核糖体RNA数量 − − − 蛋白质编码基因差异 rps12 (2)、ycf2 (2) rps12、ycf68(2) rps12、ycf68 转运RNA差异 trnG-GCC、trnS-CGA trnG-UCC、trnG-UCC trnG-GCC、trnG-UCC 说明:(2)代表拷贝数为2;−表示未检测到。 Table 2. Chloroplast gene differences among Ph. edulis f. luteosulcata, Ph. edulis f. bicolor, and Ph. edulis var. pubescens
-
根据黄槽毛竹叶绿体基因组RSCU(图2A)显示:共有64种密码子编码20种氨基酸,密码子中UUA的RSCU为最高值(1.97),CUG为最低值(0.33)。RSCU>1的有32个,其中以A/U结尾的密码子有30个,提示密码子偏好使用以A/U结尾的密码子。重复序列按照不同的排列方式可分为正向重复序列、反向重复序列、回文重复序列和互补重复序列4种类型。黄槽毛竹叶绿体基因组中共检测出49个重复序列,其中40个为正向重复序列,9个为回文重复序列,未发现反向和互补重复序列。所有重复序列长度为30~100 bp,其中序列长度在30~60 bp的重复序列占比较高,为85.7%。此外,在基因组中共检测出55个SSR位点(图2B),包括34个单核苷酸重复序列、4个二核苷酸重复序列、3个三核苷酸重复序列、13个四核苷酸重复序列和1个五核苷酸重复序列,其中简单重复序列最多的类型为A/T,共23个。
-
高等植物的叶绿体通常为典型的四分体结构,但是常常发生SSC和LSC的扩张和收缩,导致四分体的边界发生变化。对黄槽毛竹与其他毛竹变型等7个种下分类群的叶绿体基因组四分体边界进行了分析(图3A)显示:黄槽毛竹叶绿体基因组四分体边界的扩张和收缩与其他分类群的高度一致,并且前者边界基因也与其他的高度统一。然而,黄槽毛竹、青龙竹和黄皮毛竹与其他毛竹种下分类群之间存在着边界编码基因编码长度不一致的情况,如前三者的rps19编码长度为216 bp,其他毛竹种下分类群的该基因编码282 bp。mVISTA分析显示(图3B):对比毛竹原变种,黄槽毛竹以及其他毛竹种下分类群的叶绿体基因组变异程度较低,仅在psbC、ycf3基因编码区与非编码区之间(psbA附近)具有一定程度的序列差异。此外,基于CPGview鉴定黄槽毛竹、毛竹原变种和绿槽毛竹之间的顺式剪切基因,黄槽毛竹有12个,后两者有11个。其中黄槽毛竹较后两者多获得rpoC2的顺式剪切形式(图4A)。将核苷酸多样性(Pi)截断点设定为Pi≥0.04,在7个毛竹种下分类群的基因组序列比对中发现了3个高变异区域(图4B)。这些高变异区均位于蛋白编码基因ndhF附近,主要表现在叶绿体基因组ndhF和rpl32之间的SSC区。这些变异区域将可以用于毛竹种下分类群的分子鉴定依据。上述序列数据表明:毛竹种下分类群之间的序列变异较低,但不同分类群之间仍具有一些共有和特异的变异特征。
-
为了进一步了解黄槽毛竹在竹子分类群内进化关系,利用毛竹种下分类群(毛竹原变种、绿槽毛竹、厚壁毛竹、青龙竹、黄皮毛竹、花毛竹和黄槽毛竹),4个刚竹属物种(淡竹、筇竹、红壳雷竹和桂竹),麻竹、瓜多竹、外类群草本竹巴西玉米竺和莪莉竹的叶绿体全基因组进行系统进化树的重建。贝叶斯推理法重建的系统进化树(图5)显示:毛竹种下分类群为单系且毛竹分类群与淡竹为姐妹。毛竹分类群之中,黄槽毛竹与毛竹原变种为姐妹关系,两者与花毛竹和青龙竹组成的分支为姐妹关系。秆色变异表型与黄槽毛竹呈“反转”状态的绿槽毛竹和黄槽毛竹以及毛竹原变种之间,并没有组成一支,而是与黄皮毛竹组成姐妹类群。厚壁毛竹与本研究分析的其他6个毛竹种下分类群的为姐妹关系。
Chloroplast genome of Phyllostachys edulis f. luteosulcata and comparison of chloroplast genome sequence of subspecies of Ph. edulis
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240110
- Received Date: 2024-01-06
- Accepted Date: 2024-05-29
- Rev Recd Date: 2024-05-08
- Available Online: 2024-09-25
- Publish Date: 2024-09-25
-
Key words:
- Phyllostachys edulis f. luteosulcata /
- chloroplast genome /
- phylogenetics /
- sequence variation
Abstract:
Citation: | LIU Xuan, ZOU Longhai, ZHOU Mingbing. Chloroplast genome of Phyllostachys edulis f. luteosulcata and comparison of chloroplast genome sequence of subspecies of Ph. edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(5): 1037-1046. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240110 |