TITLE：Chloroplast genome variation and phylogenetic relationships of Atractylodes species
譯名：蒼術(shù)屬植物葉綠體基因組變異及系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系
期刊：BMC Genomics
日期：2021年2月
下載鏈接：https：//doi.org/10.1186/s12864-021-07394-8

研究介紹

蒼術(shù)是應(yīng)用廣泛的中草藥白術(shù)、蒼術(shù)的基本原植物，為東亞特有屬。屬內(nèi)種的形態(tài)差異很小，通用的DNA條碼不能清楚地區(qū)分系統(tǒng)關(guān)系或識(shí)別屬的物種。為了解決這些問題，利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)蒼術(shù)屬所有物種的葉綠體基因組進(jìn)行了測(cè)序。本研究對(duì)6種蒼術(shù)屬植物的葉綠體基因組進(jìn)行了測(cè)序和組裝，為該屬植物提供了寶貴的基因組資源。基于整個(gè)葉綠體系統(tǒng)發(fā)育分析，屬內(nèi)的關(guān)系首次得到明確的解決。同時(shí)，葉綠體基因組的比較分析產(chǎn)生了可變區(qū)，這些可變區(qū)可以作為特定的DNA條形碼。

研究目的

本研究對(duì)蒼術(shù)葉綠體基因組的序列和結(jié)構(gòu)變異、系統(tǒng)發(fā)育和突變動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，為今后的種群遺傳學(xué)、分類學(xué)和物種鑒定等方面的研究奠定了基礎(chǔ)。

材料與方法

材料：

圖1、蒼術(shù)屬植物形態(tài)的比較。比例尺為5厘米。
A A. carlinoides, B A. macrocephala, C A. lancea, D A. japonica, E A. coreana, F A. chinensis

方法：
1、測(cè)序、基因組裝及注釋
Illumina HiSeq X Ten平臺(tái)上進(jìn)行PE150測(cè)序，通過使用SPADS 3.6.1程序（Kmer=95），從高質(zhì)量的配對(duì)末端讀數(shù)組裝重疊群。在此基礎(chǔ)上，利用BLAST程序，以中國(guó)白楊葉綠體基因組（NC037484）為參照，篩選葉綠體基因組重疊群。隨后，使用Sequencher 4.10組裝所選的重疊群。Geneious 8.1用于將所有讀數(shù)映射到組裝的葉綠體基因組序列，以驗(yàn)證組裝的準(zhǔn)確性。完整的葉綠體基因組序列使用Plann注釋，使用A. chinensis（NC037484）作為參考，并用OrganellarGenomeDRAW繪制環(huán)圖。

2、微結(jié)構(gòu)突變事件的分析
使用MAFFT V7軟件比對(duì)6個(gè)葉綠體基因組，并使用Se-al 2.0進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。使用 MEGA 7.0分配葉綠體基因組中的可變突變位點(diǎn)和簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)。使用基因組范圍微衛(wèi)星分析工具包（Gmata）軟件預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單序列重復(fù)序列（SSR），并設(shè)置搜索參數(shù) 單核苷酸重復(fù)單元 > 10，二核苷酸重復(fù)單元 > 5，三核苷酸重復(fù)單元 > 4，四核苷酸、五核苷酸和六核苷酸 SSR 重復(fù)單元 > 3。基于對(duì)齊的序列矩陣，手動(dòng)驗(yàn)證插入缺失并將其分為兩類，包括SSR相關(guān)和非SSR相關(guān)（正常插入缺失/indels）。A. chinensis 被用作確定indels事件的大小和位置的參考。

3、葉綠體基因組的比較和分歧熱點(diǎn)識(shí)別
用mVISTA程序以Shuffle-LAGAN模式對(duì)蒼術(shù)葉綠體全基因組進(jìn)行比較。以A . chinensis序列為參考。利用DnaSP v5.10軟件進(jìn)行滑動(dòng)窗口分析，計(jì)算葉綠體基因組的核苷酸多樣性。窗口長(zhǎng)度設(shè)置為600bp，步長(zhǎng)為100bp。苘麻具有優(yōu)良的形態(tài)，其他5個(gè)種被用作中藥。為此分析創(chuàng)建了兩個(gè)數(shù)據(jù)集：（1）所有6個(gè)物種數(shù)據(jù)集（A組）和（2）5個(gè)醫(yī)學(xué)物種（B組）。

4、系統(tǒng)發(fā)育重建
采用37個(gè)葉綠體基因組序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，其中包括6個(gè)蒼術(shù)樣本和31個(gè)GenBank中其他物種的Cynareae和Lactuceae樣本。所有葉綠體基因組序列采用MAFFT進(jìn)行比對(duì)，不明確比對(duì)區(qū)域采用gblock 0.91b進(jìn)行裁剪。系統(tǒng)發(fā)育分析采用最大似然（ML）和貝葉斯推斷（BI）方法。Modelfinder根據(jù)軟件推薦的BIC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出最優(yōu)模型TVM + F + I + G4。使用IQ-tree進(jìn)行ML計(jì)算，重復(fù)采樣1000次。利用MrBayes實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育的貝葉斯推斷（BI）。馬爾科夫鏈蒙特卡洛（MCMC）分析運(yùn)行了1000萬(wàn)代。這些樹每1000代取樣一次，初始的25%作為老化處理丟棄。最后驗(yàn)證分裂頻率的平均標(biāo)準(zhǔn)差<0.01。采用MEGA 7.0 in ML方法對(duì)獲得的indel數(shù)據(jù)（包括SSRs）進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。

結(jié)果

表1. 六種蒼術(shù)屬植物葉綠體基因組基本信息

圖2蒼術(shù)屬葉綠體基因組基因圖譜。大圓圈內(nèi)側(cè)的基因是順時(shí)針轉(zhuǎn)錄的，而外側(cè)的基因是逆時(shí)針轉(zhuǎn)錄的。這些基因是根據(jù)其功能進(jìn)行顏色編碼的。虛線區(qū)域代表葉綠體基因組的GC組成。

表2、六種蒼術(shù)屬植物葉綠體基因組的基本信息

含有內(nèi)含子的基因用星號(hào)(*)標(biāo)記

圖3、蒼術(shù)葉綠體基因組的Indels分析。
(A) Indels類型和位置的頻率。(B)6個(gè)蒼術(shù)葉綠體基因組中非SSR相關(guān)Indels的數(shù)量和大小

圖4、6個(gè)蒼術(shù)葉綠體基因組中SSR的類型和分布。
(A)在LSC、SSC和IR區(qū)域出現(xiàn)的頻率。(B)SSR在不同物種中的分布比例。?不同重復(fù)類型中已鑒定的SSR motif數(shù)量。(D)SSR重復(fù)類型數(shù)量。

圖5、以A. chinensis為參照的6種蒼術(shù)屬植物葉綠體基因組的mVISTA可視化比對(duì)分析。x軸代表葉綠體基因組中的坐標(biāo)。對(duì)齊區(qū)域的序列相似性在50%-100%

圖6、整個(gè)葉綠體基因組的滑動(dòng)窗分析。
(A)所有六種蒼術(shù)。(B)五種用于草藥，不包括A. carlinoides。窗口長(zhǎng)度：600 bp，滑動(dòng)長(zhǎng)度：100 bp。x軸：窗口中點(diǎn)的位置。y軸：每個(gè)窗口的核苷酸多樣性。

圖7、基于來自37個(gè)不同物種的完整葉綠體基因組，使用最大似然法和貝葉斯推斷法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。分支上方的數(shù)字代表最大似然自舉值/置信區(qū)間后驗(yàn)概率。

結(jié)論

結(jié)果表明蒼術(shù)植物葉綠體基因組具有典型的四方結(jié)構(gòu)，大小在152,294~ 153,261 bp之間。基因組共有113個(gè)基因，包括79個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因、30個(gè)tRNA基因和4個(gè)rRNA基因。鑒定出了4個(gè)熱點(diǎn)區(qū)，分別為rpl22-rps19-rpl2、psbM-trnD、trnR-trnT（GGU）和trnT（UGU）-trnL，以及總共42-47個(gè)簡(jiǎn)單序列重復(fù)（SSR）分子標(biāo)記，這些被認(rèn)為是最有希望進(jìn)行物種劃界和種群遺傳研究的潛在變量標(biāo)記。整個(gè)葉綠體基因組的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，蒼術(shù)是菜薊的一個(gè)分支；蒼術(shù)屬物種形成了一個(gè)單系，清楚地反映了屬內(nèi)的關(guān)系。

END

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的文献解读|苍术属植物叶绿体基因组变异及系统发育关系的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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