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从叶绿体到进化历程：完整基因组与比较分析，揭示植物世界的变迁

花匠小妙招
2024-11-10 15:39

叶绿体作为植物细胞的重要组成部分，其基因组的研究对于理解植物的生长、发育以及进化关系具有重要意义。近年来，随着高通量测序技术的快速发展，叶绿体基因组的比较分析已经成为揭示植物系统发育和遗传多样性的重要手段。本期小派带来两篇关于叶绿体基因组研究的文献，让我们一同跟随这些研究，探索植物世界的奥秘，并期待未来更多突破性的发现，为植物科学的发展注入新的活力！

项目文章1

【IF=4.6】多功能药用植物金盏花的叶绿体基因组分析与进化研究

文章题目：Chloroplast genome analysis and evolutionary insights in the versatile medicinal plant Calendula officinalis L.

发表期刊：scientific report

测序平台：Illumina

分析内容：叶绿体基因组denovo测序、系统发育分析、分化时间分析、IR边界区分析等

研究背景

金盏花（Calendula officinalis L.）是菊科金盏花属的一年生药用草本植物，在各个领域都有广泛的应用。然而，其叶绿体基因组结构特征、系统发育关系以及进化和突变模式仍知之甚少。本研究通过对金盏花叶绿体基因组结构、进化关系等进行深入探讨，揭示了其遗传基础和进化历程，为进一步探究其遗传多样性和药用价值提供了基础。

分析结果

金盏花叶绿体基因组结构特征

金盏花叶绿体基因组长度为150,465 bp，由四个部分组成：83,056 bp的大单拷贝区（LSC）、17,911 bp的小单拷贝区（SSC）以及两个长度为24,749 bp的反向重复区（IRs）。整个叶绿体的G+C含量为37.75%，而IRs区的G+C含量为43.11%，高于LSC和SSC区域（分别为35.84%和31.81%）。

图1 金盏花叶绿体基因组图谱及覆盖深度图

系统发育分析和分化时间估算

系统发育分析表明，C. officinalis 和 C. arvensis 聚到一个分枝并具有100%的支持率，C. officinalis、C. arvensis 和 O. ecklonis 的关系也非常密切，这与之前的研究是一致的。此外，相对于前人的研究，本研究中Crassocephalum crepidioides、Gynura japonica、Jacobaea vulgaris 和 Senecio vulgaris 与C. officinalis 的亲缘关系更近。

分化时间分析结果表明，C. officinalis分化发生在大约25万年前，位于最近的第四纪。Calendula大约起源于2.38 Mya，也处于第四纪。此外，Calendula和Osteospermum的共同祖先可以追溯到大约18.77 Mya，这一分歧正好处于新近纪的中新世时期，这是一个以显著的环境和气候变化为特征的时代，可能影响了它们的进化途径。

图2 系统发育树

图3 分化时间树

IR边界区分析

为了进一步探索C. officinalis、C. arvensis 和 O. ecklonis叶绿体基因组之间的细微进化差异，本研究对三个物种的LSC、SSC和IR区域边界进行了比较分析。结果显示，三个物种IR边界区存在显著的一致性。其中，JLA (LSC和IRa区域的交界处)附近的基因始终包括rpl2、rps19和rpl22。另外，psbA、trnH和rpl22基因完全位于LSC区域，而两个rpl2基因拷贝分别完全位于IRa和IRb内，ycf1基因跨越IRb和SSC区域，位于JSB交界处。

图4 IR边界区比较

本研究对金盏花的叶绿体基因组、系统发育关系、密码子偏好性和分化时间进行全面分析，结果表明，这些金盏花、欧洲金盏花和南非万寿菊之间存在密切的进化关系，并且它们在共同环境选择压力的作用下发生了相似的基因表达模式和遗传变异。此外，该研究还发现了某些特定基因的进化特点，这可能与金盏花的药用价值有关。本研究不仅提高了对金盏花基因组的认识，还为探索其遗传多样性和挖掘其巨大的药用潜力奠定了基础。

项目文章2

【IF=3.5】心叶驼绒藜叶绿体基因组比较分析及其系统发育关系研究

文章题目：Complete Chloroplast Genome of Krascheninnikovia ewersmanniana: Comparative and Phylogenetic Analysis.

发表期刊：genes

测序平台：Illumina

分析内容：叶绿体基因组denovo测序、mVISTA分析、IR边界区分析、核苷酸多样性分析、系统发育分析等

研究背景

心叶驼绒藜（Krascheninnikovia ewersmanniana）是一种多年生、强耐旱的草本植物，是中国新疆荒漠区的优势植物，具有极高的经济和生态价值。然而，尚无关于K. ewersmanniana遗传多样性、系统演化的深入研究。本研究利用K. ewersmanniana 的叶绿体基因组探究苋科植物的系统发育关系，为苋科植物的定地定位、分类以及资源利用奠定理论基础。

分析结果

K. ewersmanniana叶绿体基因组结构特征

K. ewersmanniana叶绿体基因组由四个部分（SSC、IRa、LSC和IRb）组成，呈现出独特的双链环状结构，基因组大小为152,287 bp。IR、SSC和LSC序列的长度分别为49,182、19,007和84,098 bp。IR、SSC和LSC区域的GC水平分别为41.99%、30.58%和34.74%。

图1 K. ewersmanniana叶绿体基因组图谱

七种苋科植物叶绿体基因组比较分析

7个苋科植物叶绿体基因组进行比较分析，IR边界区比较结果表明K. ewersmanniana的叶绿体基因组结构高度保守，只有IR边界区域的结构发生变化。其中，位于边界区的rps19，ndhF，ycf1，psbA和trnH等基因均发生收缩或扩张。叶绿体全基因组序列比对结果表明，7个物种序列相似，但是非编码区变异程度显著高于编码区，高度变异的基因间区包括 psbA-trnK-UUU、rps2-rpoC2 、 atpI-atpF、rpl32-ccsn和 dhB-tmL-CAA。两个K. ewersmanniana的核苷酸多样性分析鉴定出三个高度可变的区域，包括psaJ、psbK和rps19。

图2 叶绿体基因组比较分析

系统发育分析

系统发育分析结果显示，Chenopodium、Atriplex和Beta的16个物种聚为一支，Salicornis、Suaeda、Bassia和Salsola的10个物种聚为一支，Ostosia、Celosia和Amaranth的9个物种聚为另一组。其中，K. ewersmanniana和K. ceratoides形成一个独立的分支，与Dysphania和Beta两个分支关系较近。这些分支位于系统发育树的顶部，是35个苋科物种中最近期分离出来的群体。

图3 系统发育树

本研究首次组装了广泛分布于新疆荒漠中的K. ewersmanniana的叶绿体基因组，该物种具有重要的生态和经济价值。这项研究不仅丰富了这一物种现有的分子生物学数据，而且扩大了可利用的基因组资源。此外，本研究报道了K. ewersmanniana与苋科其他物种之间的进化关系。系统发育树分析结果表明，K. ewersmanniana, K. ceratoides, D. ambrosioids, D. pumilio和D. botrys构成一个密切相关的单系群。本研究所获得的系统发育见解有助于解决未来与K. ewersmanniana相关的分类和命名挑战，还为今后对K. ewersmanniana种群遗传多样性及可持续利用的研究提供了科学依据。

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文献：

[1]Zhang N, Huang K, Xie P, Deng A, Tang X, Jiang M, Mo P, Yin H, Huang R, Liang J, He F, Liu Y, Hu H, Wang Y. Chloroplast genome analysis and evolutionary insights in the versatile medicinal plant Calendula officinalis L. Sci Rep. 2024 Apr 26;14(1):9662.

[2]Wei P, Li Y, Ke M, Hou Y, Aikebaier A, Wu Z. Complete Chloroplast Genome of Krascheninnikovia ewersmanniana: Comparative and Phylogenetic Analysis. Genes (Basel). 2024 Apr 25;15(5):546.、

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