金冠8-18油桃葉綠體全基因組序列特征及其系統發育

龔意輝, 謝雪陽, 魏媛媛, 周桂花, 李麗梅, 曾永賢

(湖南人文科技學院農業與生物技術學院,湖南婁底 417000)

葉綠體是普遍存在于高等植物中的一種重要質體,通過光合作用合成植物正常生長所需的營養物質和能量。葉綠體作為半自主的細胞器,具有完整的遺傳信息表達系統。高等植物的葉綠體基因組高度保守,是一個典型的四分體結構,包括1個大單拷貝區(large single copy region,LSC),1個小單拷貝區(small single copy region,SSC),反向重復區 a(inverted repeat region a,IRa)和反向重復區 b(inverted repeat region b,IRb)[1]。葉綠體基因組遺傳特性與核基因組不一樣,常表現出單親遺傳;葉綠體基因組相比于核基因組和線粒體基因組在基因類型、基因結構上更加保守[2]。因此,葉綠體基因組已成為分析植物系統發育地位的重要研究手段之一[3-5]。隨著生物信息學技術和三代測序技術的快速發展,已有較多學者利用葉綠體基因組開展植物進化分析,例如在蘋果(Malusdomestica)、芒果(Mangiferaindica)、草莓(Fragaria×ananassa)、藍莓(Vacciniumspp.)、葡萄(Vitisvinifera)、辣椒(Capsicumannuum)、露兜樹(Pandanustectorius)、高粱泡(Rubuslambertianus)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)等物種中開展了植物葉綠體基因組結構和進化分析,為研究植物物種鑒定、性狀改良、優化外源基因表達效率等方面提供重要的分子依據[6-14]。

油桃(Prunuspersica)屬薔薇科(Rosaceae)桃屬,是普通桃的一個變種,已有2 000多年的種植歷史[15]。油桃具有味道鮮美、香氣撲鼻、色澤鮮艷、質地脆甜等特點而深受國內外消費者的青睞[16]。其果實含有大量的胡蘿卜素、花青素、多種人體必需氨基酸種類、維生素C等營養物質,在國內外市場中具有較高的營養保健價值和經濟價值。金冠8-18是近年來培育出的油桃新品種,其果實近圓形、扁平、微凹、茸毛少、果肉堅硬、耐貯藏、果實套袋后色澤金黃,單果質量約200～250 g,最大果實可達400 g。目前,國內外學者主要從果實裂果、綠色高效栽培技術、果實品質調控等方面開展油桃相關研究[17-19],但對金冠8-18油桃的研究相對較少,尤其是有關金冠8-18葉綠體基因組研究尚未見報道,開展金冠8-18葉綠體基因組分析不僅可以豐富油桃品種的遺傳信息,而且還可通過分子標記開展金冠8-18品種改良研究。本研究對金冠8-18葉片進行基因組 DNA 提取,采用Illumina NovaSeq 6000 對金冠8-18葉綠體基因組進行測序、組裝和注釋,并采用生物信息學軟件對金冠8-18葉綠體基因組特征、簡單重復序列(SSR)位點及其系統發育進行分析,以期為油桃品種鑒定、遺傳育種和系統發育研究提供分子依據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 金冠8-18 DNA的提取

2021年6月20日在湖南水云峰農業科技股份有限公司基地采集金冠8-18新鮮幼葉,采用寶日醫生物技術(北京)有限公司提供的DNA試劑盒(D9194)對金冠8-18全基因組DNA 進行提取,利用凝膠電泳檢測DNA樣品的純度和質量。

1.2 葉綠體基因組測序組裝分析

挑選金冠8-18DNA純度和含量符合要求的樣品送至南京集思慧遠生物科技有限公司,采用Illumina NovaSeq 6000 對其葉綠體基因組進行測序、組裝和注釋分析。以與金冠8-18親緣關系相近的桃樹葉綠體基因組(MZ673795.1)為參考序列。首先采用SPAdesv3.10.1軟件對金冠8-18葉綠體基因組序列進行組裝[20],然后分別使用Prodigal v2.6.3(https://www.github.com/hyattpd/Prodigal)、RNAmmer 1.2 Server (http://www.cbs.dtu.dk/services/RNAmmer/)、tRNAscan-SE(http://lowelab.ucsc.edu/tRNAscan-SE/)對金冠8-18葉綠體的CDS、rRNA、tRNA進行預測分析,并使用BLAST v2.6軟件(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)對注釋結果進行校正,并將校正后的結果采用OGDRAW(https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/OGDraw.html)制圖分析。再使用MISA v1.0(http://pgrc.ipk-gatersleben.de/misa/misa.html)分析金冠8-18葉綠體全基因組 SSR 位點,Find repeats工具獲得桃樹、梨樹、楊梅、蘋果等 8種基因組的 IR、LSC、SSC序列,最后使用MAFFT 7.427軟件(auto模式)進行多序列比對,將比對結果用RAxML 8.2.10(https://cme.h-its.org/exelixis/software.html)軟件,選用GTRGAMMA模型進行rapid bootstrap分析,bootstrap=1 000,構建最大似然進化樹。金冠8-18葉綠體基因組序列在NCBI數據庫中已公布,其登錄號為OL449945.1。

2 結果與分析

2.1 油桃葉綠體基因組特征

本研究以桃樹MZ673795.1葉綠體基因組為參考,對金冠8-18葉綠體基因組序列進行組裝和注釋,獲得金冠8-18葉綠體基因組大小為153 754 bp的全長序列(圖1、表1)。金冠8-18葉綠體基因組含有1 個 LSC、1 個SSC和1對IR(IRa 和 IRb)的4分體結構,其長度分別為 85 923、19 100、26 381 bp。A、T、C、G在金冠8-18葉綠體基因組中的含量分別為31.12%、32.11%、18.78%、17.99%,AT 含量占堿基總數的 63.23%,遠高于GC含量(36.77%)。在金冠8-18葉綠體基因組中共注釋到 133 個基因,包括 84 個蛋白編碼基因(CDS),37個轉運 RNA 基因(tRNAs),8 個核糖體 RNA基因(rRNAs ),4個假基因(pesudo)。GC堿基含量在LSC、SSC 和 IR 區中所占比重分別為 34.61%、30.40%和 42.58%,AT 含量分別為 65.39%、69.60%和 57.42%。并且LSC和SSC區域中的GC 比重明顯低于 IR 區。

表1 金冠8-18葉綠體基因組的詳細特征

對金冠8-18注釋到的基因進行功能分類,包括44個光合作用相關基因(photosynthesis genes)、58 個自我復制基因(self-replication genes)、 5個其他基因(other genes)、6個未知功能基因(genes ofunknown function)(表2)。在金冠8-18葉綠體全基因組中共有17個雙拷貝基因和1個四拷貝基因。包括 1 個 NADH 脫氫酶亞基基因(ndhB)、4 個自我復制基因(rpl2、rpl23、rps12、rps7)、4 個rRNA 基因(rrn16、rrn23、rrn4.5、rrn5)、6個 tRNA 基因(trnA-UGC、trnI、trnL-CAA、trnN-GUU、trnR-ACG、trnV-GAC)、 2 個未知功能蛋白基因(ycf15、ycf2),四拷貝基因為trnM-CAU。在金冠8-18葉綠體全基因組中所注釋到大部分基因不含內含子,只有少數基因含有1個和2個內含子。其中ndhA、petB、petD、atpF、rpl2、rpl22、rps16、rpoC1、trnA-UGC、trnI、trnK-UUU、trnL-UAA、trnS-CGA、trnV基因只有1個內含子,含2個內含子的基因分別為rps12、clpP、ycf3。共在金冠8-18葉綠體全基因組中檢測出4個假基因,分別為rps19、ycf1、ycf15(2)。值得注意的是,需進一步利用分子技術手段對金冠8-18葉綠體基因組中鑒定出的6個未知功能基因進行功能分析。

表2 金冠 8-18葉綠體基因組編碼的基因

2.2 金冠8-18葉綠體基因組SSR位點分析

使用MISA v1.0軟件對金冠8-18的SSR 位點進行分析(表3)。總共在金冠8-18葉綠體基因組中找到251個符合條件的SSR 位點。分布在 LSC、SSC、IR區域的 SSR位點數量分別為168、44、39個,分別占總SSR位點數比例為66.9%、17.5%、15.5%。在LSC區域中,分別位于外顯子區(exon)、內含子區(intron)、基因間隔區(intergenic)的SSR 位點數為36、33、99個,在SSC區域中,分別位于外顯子、內含子、基因間隔區有28、4、12個,在IR區域中,分別位于外顯子、內含子、基因間隔區的有21、4、14個;單堿基重復、復合堿基重復分別為158、93個。

表3 金冠8-18葉綠體基因組 SSR 位點分布 個

2.3 金冠8-18 葉綠體基因組 IR 區邊界比較分析

將金冠8-18通過與2個桃樹品種(Prunuspersica,MH169125.1、HQ336405.1)、 李樹(Prunus

armeniaca,MK645899.1)、楊梅(Prunussalicina,MW406460.1)、梨樹(Pyruspyrifolia,AP012207.1 )、石斑木(Rhaphiolepisbibas,MN577877.1)、土庫曼斯坦蘋果(Malussieversiivar.turkmenorum,NW018864.1)等不同植物進行葉綠體基因組IR區邊界比較分析(圖2),發現這8種植物葉綠體基因組全長范圍為157 566～160 139 bp,基因具有相對保守性。rpl22基因完全位于LSC區域,金冠 8-18、2個桃樹品種、李樹、楊梅距離連接區域的長度分別為226、426、426、426、426 bp。rps19基因在金冠8-18、2個桃樹品種、李樹、楊梅、梨樹、石斑木、土庫曼斯坦蘋果中LSC區分別擴增并產生97、97、97、89、93、159、156、165 bp,而在IRb區域內分別擴增并產生182、182、182、190、186、120、123、114 bp;金冠8-18中的ycf1基因在IRa、IRb區域內擴增 1 051 bp,在SSC區域內擴增5 bp。ndhf基因在金冠8-18、2個桃樹品種、李樹、楊梅、梨樹、石斑木中IRb區域分別擴增10、10、10、18、19、12、12 bp,而在SSC區域分別擴增2 219、2 219、2 219、2 220、2 228、2 244、 2 244 bp;金冠8-18、2個桃樹品種、李樹、楊梅、梨樹、石斑木中的trnN基因全部位于IRa區域。8個物種中的trnH基因全部位于LSC區域內。

2.4 金冠8-18葉綠體基因組系統發育分析

挑選30個薔薇科物種的葉綠體基因組與金冠8-18進行系統發育分析(圖3)。進化樹分析表明,金冠8-18與桃樹(MH169125.1)處于同一分支,說明金冠8-18與桃樹的親緣關系最近,并與桃屬聚為大類,說明金冠8-18屬于薔薇科桃屬植物。此外,金冠8-18與薔薇科其他屬相距較遠,說明其親緣關系較遠。

3 結論與討論

本研究采用 Illumina NovaSeq 6000測序平臺首次完成了金冠8-18的葉綠體基因組測序,采用SPAdes v3.10.1 軟件對金冠8-18的原始數據進行組裝。金冠8-18葉綠體基因組結構與枇杷(Eriobotryajaponica)、瑞冠18油桃品種、黃晶果(Pouteriacaimito)等植物葉綠體基因組結構相似,具有典型的 LSC、SSC、IRa、IRb結構[21-23]。金冠 8-18 葉綠體基因組大小屬于薔薇科植物葉綠體基因組全長范圍之內。一般來說,大多數高等植物的葉綠體基因組大小介于120～180 kb之間,注釋到的基因數介于100～200個之間,其中含70～80 個CDS基因,30～32個tRNA基因,4個rRNA基因。例如,枇杷葉綠體基因組全長為 157 494 bp,共編碼129個基因,其中CDS基因、 tRNA基因、 rRNA基因分別為84、37、8個[21]。甘藍型油菜(Brassicanapus)葉綠體基因組全長為152 860 bp,注釋到113個基因,其中含79個CDS基因、30個tRNA基因和4個 rRNA基因[24]。金冠8-18全長介于甘藍型油菜和枇杷之間,為153 754 bp,共注釋到133個基因,其中CDS基因、 tRNA基因、 rRNA基因、假基因分別為84、37、8、4個。本研究中金冠8-18的IRa和IRb區為26 381 bp,其GC含量比LSC和SSC中的含量均高,為42.58%,與歐地筍(LycopuseuropaeusLinn.)、萹蓄(Polygonumaviculare)等植物葉綠體基因組相一致[25-26],可能是AT在IR區域中rRNA序列中含量低而導致該區域中的GC所占比例均高于LSC和SSC。

SSR位點分析在輔助植物育種、種群分析、多態性分析等方面的研究起著很好的應用價值[27-28]。目前,已在石榴(Punicagranatum)、龍眼(DimocarpuslonganLour)、棗(ZiziphusjujubaMill.)、芒果(Mangiferaindica)、香蕉(Musaacuminata)等果樹品種中開展了SSR位點分析[29-33]。本研究發現金冠8-18葉綠體基因組共有251個SSR 位點,有158個單堿基重復,以 A/T堿基重復為主,說明SSR位點偏好使用A/T,這與荷花玉蘭(Magnoliagrandiflora)、狗棗獼猴桃(Actinidiakolomikta)、草果(Amomumtsaoko)、金花茶(Camelliapetelotii)等植物葉綠體基因組中的SSR位點分析結果相符[34-37]。復合核苷酸有93個, 以ATA、TAT、TTA、TAA為主。而Yan等研究發現,石榴葉綠體基因組中的SSR位點主要以TAA、TTC重復單元為主[29]。金冠8-18大部分SSR位點位于LSC區中的基因間隔區,少數位于SSC和IR區中,這與露兜樹葉綠體基因組SSR分析[12]相符,表明 SSR 位點長度發生變異時,對金冠 8-18 葉綠體蛋白質影響較小,幾乎不發生性狀變異。金冠8-18葉綠體 SSR 位點的獲得對進一步研究薔薇科相關物種鑒定、遺傳多樣性分析和植物進化等方面具有重要的應用價值。

為進一步了解金冠8-18在薔薇科中的系統發育地位,對已報道的30種薔薇科葉綠體基因組與金冠8-18進行系統發育分析,其結果顯示,金冠8-18與桃樹(MH169125.1)親緣關系最近,說明金冠8-18屬于薔薇科桃屬植物。這一研究結果與Liu等研究發現的瑞冠18號油桃品種與桃樹聚為一類,親緣關系較近的結論[22]相一致。本研究獲得了金冠 8-18 的葉綠體基因組大小、結構、基因數量、SSR、系統發育樹等特征信息,為今后開展油桃品種鑒定、性狀改良和進化等研究提供了分子依據和理論支撐。