蕁麻科3種植物葉綠體基因組及密碼子偏好性分析

中圖分類號：S188 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）12-0048-09

糯米藤（Gonostegiahirta），別稱捆仙繩、糯米菜、糯米草、米漿藤、生扯攏等，為蕁麻科糯米團屬植物[1]，性平、味甘、無毒，具有清熱解毒、健脾、消腫散瘀等功效[2，可用于治療療瘡、痢疾、急性黃疸型肝炎、乳腺炎、婦女白帶、脾虛腹瀉、小兒瘡積、吐血、跌打損傷等癥[3]。高等植物的葉綠體基因組具有雙鏈共價閉合環狀結構，有其獨特的轉錄、復制和翻譯方式4，由2個反向重復序列、1個短單拷貝序列以及1個長單拷貝序列組成。在當下，葉綠體基因組已被應用于分子進化、系統發育、遺傳表達、DNA條形碼和生物多樣性等領域的研究[5]。同義密碼子是指同一種氨基酸可以有多種密碼子[6]。密碼子偏好性廣泛存在于微生物、動植物及人類中，其影響因素較多，例如tRNA豐度[]、蛋白的疏水性等。密碼子偏好性在不同物種之間存在差異[8]。在不同突變壓力和選擇的影響下，不同物種會形成其獨特的密碼子偏好性[]，而相近物種或同物種的密碼子偏好性一般類似[1°]。因此，密碼子偏好性分析對研究物種的進化以及葉綠體基因工程有寶貴的貢獻[11]。目前，針對蕁麻科植物在藥效機制和化學成分方面的研究較少，且其遺傳特點以及密碼子使用偏好尚未明確，因此，本研究主要通過中性繪圖分析、ENC-plot繪圖分析、PR2-plot繪圖分析、最優密碼子分析，探究自然環境與堿基突變對密碼子的影響，旨在為了解蕁麻科植物葉綠體基因密碼子偏好的形成機制提供幫助，為研究蕁麻科植物葉綠體基因組奠定基礎。

1材料與方法

1.1材料

樣本采于云南省麗江市，經鑒定為糯米草。樣品憑證標本存放在標本館，葉綠體基因組序列已上傳至GenBank，收錄號為MT012416.1。從植物智（https：//www.iplant.cn）中檢索收錄的糯米草（Gonostegiahirta）艾麻（Laporteacuspidata）和小果旋帶麻（Gyrotaeniamicrocarpa）的拉丁名，從 NCBI（htts：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）上下載艾麻（OM761921）、小果旋帶麻（NC064743）等與糯米草同科的植物葉綠體基因組數據，并剔除重復及長度小于 300bp 的CDS序列，對符合條件的CDS 進行下一步的分析。

1.2 方法

1.2.1密碼子相關參數分析分別將糯米草及其同科2個物種的蛋白質編碼序列導人Geneiousv.7.1.3軟件中，刪除重復、數據不完整和長度小于300bp 的蛋白質編碼序列后，利用在線軟件CUS（https：//www.bioinformatics. Δ_nl cgi-bin/emboss/cusP）計算每個基因的GC（包括 GC_all?GC₁?G GC₂ 、GC₃ ）含量，利用軟件 CodonW 1.4.2 運行代碼得出密碼子適應指數（CAI）、密碼子偏好性指數（CBI）、有效性密碼子數（ENC）等值，并利用Excel、SPSS等軟件進行數據分析。此外，使用在線軟件IRscope（https：//irscope.shinyapps.io/irapp/）計算各個區域的長度和GC含量等關鍵數據，以繪制糯米草及其同科2個物種的葉綠體基因組的物理圖譜。

1.2.2中性繪圖分析利用所得到的53條蛋白編碼序列進行中性繪圖，計算 GC₁?GC₂ 含量的平均值，記為 GC₁₂ 含量，并以 GC₃ 、 GC₁₂ 含量分別作為橫坐標、縱坐標，繪制散點圖。同時，在圖中添加趨勢線、對角線和決定系數 （r²） ，然后根據散點的分布評估影響基因密碼子偏好性的相關因素。

1.2.3ENC-plot繪圖分析ENC-plot圖中包括散點和標準曲線，散點是以 GC₃ 含量為橫坐標，ENC值為縱坐標所繪制；標準曲線的繪制方程為 ENC= ，其中 GC₃ 含量取 0～1 范圍內的值。根據所繪制的散點圖和標準曲線之間的距離判斷堿基組成和各基因密碼子使用的偏好性[13]

1.2.4PR2-plot繪圖分析以 G₃/（G₃+C₃） 為橫軸， A₃/（A₃+T₃） 為縱軸，繪制散點圖。添加橫、縱2條對稱軸，根據基因分布位置相對中心點的偏離程度判斷影響密碼子偏好性的具體因素[14] 。

1.2.5最優密碼子確定分析根據ENC值從高到低排序，在兩端分別選取 10% 的基因來創建高表達和低表達基因庫，編入fasta文檔，利用CodonW1.4.2對2種密碼子庫中的相對同義密碼子使用度（RSCU）進行比較，得到 ΔRSCU=RSCU_high 一RSCU_low 表達，取 ΔRSCU?0. 08，RSCUgt;1 的密碼子，即為最優密碼子[14]

2 結果與分析

2.1葉綠體基因組物理圖譜與基本特征

對糯米草、艾麻和小果旋帶麻3種植物的葉綠體基因組密碼子的GC含量進行統計分析，結果如表1至表3所示?？傮w來看，3個物種密碼子的 GC₁ 、GC₂ ！ GC₃ 含量相近，且每個物種均表現為 GC₁ 含量 gt;GC₂ 含量 gt;GC₃ 含量，表明3種蕁麻科植物葉綠體基因中的GC含量在密碼子不同位置分布不均勻，但差異較小。此外，根據糯米草、艾麻和小果旋帶麻的葉綠體全基因組序列，運用在線軟件OGDRAW繪制其葉綠體基因組物理圖譜，結果（圖1）表明，3種植物葉綠體基因組總長度分別為159 086、149 149、153 911 bp。

表1糯米草基因的GC含量及ENC值

表2艾麻基因的GC含量及ENC值 表3小果旋帶麻基因的GC含量及ENC值

2.2 中性繪圖分析

3種蕁麻科植物的葉綠體基因中性繪圖分析結果見圖2，可以看出，糯米草與其同科的2個物種的回歸曲線斜率在 0.125 1～0.541 7 之間，決定系數分別為 0.0817.0.1364.0.0099 ，距離1較遠，且3個物種的大部分基因均分布在對角線上方，說明GC₃ 含量與 GC₁₂ 含量相關性不顯著，進一步論證糯米草密碼子第3位堿基與前2位堿基組成不同，進化方式可能不同。前2位堿基可能主要受到突變的影響，第3位堿基主要受到自然選擇的影響。

2.3 ENC-plot繪圖分析

ENC-plot繪圖分析可直觀地反映密碼子的使用模式，分析突變及自然選擇對密碼子偏好性造成的影響。圖3為本試驗中3種蕁麻科植物葉綠體基因組的ENC-plot分析繪圖結果，可以看出，ENC值范圍為 35.60～61.00 ，且大部分ENC值大于35，說明這3種植物的葉綠體基因組密碼子偏好性均較弱。大部分候選基因分布在標準曲線下方，說明不同的基因密碼子偏好性差異較大，主要受到自然選擇的影響。在3種植物的葉綠體基因組中有53條CDS的ENC值在 33.17～55.34 范圍內，平均值為47.13，遠大于35；僅有1條基因的有效密碼子數值小于35，表明其使用偏好性較弱。

2.4 PR2-plot 繪圖分析

從圖4可以看出，通過PR2-plot分析所得的散點分布不均勻，主要集中分布在中線下方，其中位于右下方的散點較多，表明糯米草葉綠體基因的堿基在使用頻率上，T大于A、G大于C，說明糯米草基因組中密碼子的使用偏好大部分受到自然選擇或其他因素影響。

2.5相對同義密碼子使用度（RSCU）分析

通過比較分析糯米草及其同科2個物種的葉綠體基因組密碼子偏好性可知， RSCU 值 gt;1 的密碼子分別有30個、32個、30個（表4），均為高頻密碼子，其中糯米草葉綠體基因組中密碼子UUA的RSCU值最大，為2.09；另外，RSCU值 lt;1 的密碼子大多以G和C結尾，說明出現頻率很低，是使用較少的密碼子，表明3個物種葉綠體基因組的密碼子均偏好以A/U結尾。

圖1糯米草及其同科2個物種的基因組序列

圖1（續）

圖2密碼子使用的中性繪圖分析

圖33種蕁麻科植物葉綠體基因組ENC-plot分析

圖4蕁麻科葉綠體基因組PR2-plot分析

2.6最優密碼子確定分析

對糯米草及其同科2個物種的葉綠體基因組密碼子偏好性進行比較分析，結果（表5）顯示，糯米草、艾麻、小果旋帶麻分別有29、32、31個高頻密碼子，其中糯米草、艾麻和小果旋帶麻各有8、17、12個最優密碼子，其中以A、U結尾的密碼子各有7、9、9個，表明糯米草及其同科2個物種的葉綠體基因組密碼子均偏好使用以A/U結尾的密碼子。

2.7討論

葉綠體基因組因獨立于核基因組，且具有高度保守等特性，在植物分子鑒定、維持地球生命等方面發揮著重要作用。不僅如此，研究葉綠體基因組的進化可以更深入地了解不同植物之間的親緣關系，葉綠體基因的轉錄、剪切、表達規律以及與核基因組之間的信息交流等，為載體設計、提高轉化后同質化效率等提供有利信息。從完整的葉綠體基因組序列中獲得的數據，有助于增強人們對植物學和生物多樣性的理解。本研究中糯米草葉綠體基因組的全長為 159 086bp ，與其他2個蕁麻科植物的葉綠體基因組大小差別不大，說明蕁麻科葉綠體基因組相對保守。糯米草葉綠體蛋白編碼基因ENC的平均值為47.08，當ENC值 gt;35 時，表示其這一發現可為蕁麻科植物分子方面的研究、基因組設計、優異種質的開發等提供了一定的數據基礎。

表5蕁麻科葉綠體最優密碼子分析

表5（續）

注：黑色字體加粗為最優密碼子（ RSCUgt;1 的高頻密碼子且 ΔRSCU≥0.08 ）。

參考文獻：

[1]《全國中草藥匯編》編寫組．全國中草藥匯編：上冊［M]．北京：人民衛生出版社，1996.

[2]李本鵬，譚榮，周邦華，等.苗藥糯米藤的研究進展[J]．山東化工，2020，49（2）：71-72.

[3]王堅．中藥糯米藤的研究概況[J]．中國民族民間醫藥，2011，20（9） ：37.

[4]李鳳，辛靜，辛雅萱，等.楸樹葉綠體基因組密碼子偏性分析[J].南方農業學報，2021，52（10）：2735-2743.

[5]范李強，胡歡，鄭洪蕾，等.響葉楊（楊屬）葉綠體基因組測序與比較分析[J].四川大學學報（自然科學版），2018，55（1）：165-171.

[6]Shen Z N，Gan Z M，ZhangF，et al. Analysis of codon usage patternsincitrusbased on coding sequence data[J].BMCGenomics，2020，21：234.

[7]馮德江，劉翔，李旭剛，等.tRNA豐度與基因表達的關系[J].中國生物工程雜志，2002，22（6）：4-8.

[8]Zhou M，Long W，Li X.Analysis of synonymous codon usage inchloroplast genome of Populus alba[J].Journal of ForestryResearch，2008，19（4）：293-297.

[9]HershbergR，PetrovD A.Selection on codon bias[J].AnnualReview ofGenetics，2008，42：287-299.

[10]Zhao S，DengLH，ChenF.Codon usage bias of chloroplast genomeinKandeliaobovata[J].JournalofForestamp;Environment，2O20，40（5）：534-541.

[11]Ji K K，Song XQ，Chen C G，et al.Codon usage profiling ofchloroplast genomein Magnoliaceae[J].Journal ofAgriculturalScience and Technology，2020，22（11） ：52-62.

[12]Wright F. The‘effective number of codons’used in a gene[J].Gene，1990，87（1） ：23-29.

[13]高守輿，李鈺瑩，楊志青，等．白羊草葉綠體基因組密碼子使用偏好性分析[J].草業學報，2023，32（7）：85-95.

[14]ZhangWJ，Zhou J，Li ZF，etal.Comparative analysis ofcodonusage patterns among mitochondrion，chloroplast and nuclear genesTriticum aestivum L.[J]. Journal of Integrative Plant Biology，2007，49（2）：246-254.

[15]孫云嶺.阿榮旗補充灌溉下大豆水肥效應研究[D]．呼和浩特：內蒙古農業大學，2018.

[16]趙文植，董章宏，辛靜，等.高粱泡葉綠體基因組特征分析[J]．云南農業大學學報（自然科學），2022，37（3）：435-446.

[17]Romero H，Zavala A，Musto H. Codon usage in Chlamydiatrachomatisistheresultof strand-specificmutational biasesand acomplexpatternofselectiveforces[J].NucleicAcidsResearch，２０００，２８（１０）：２０８４－２０９０．

［１８］李江飛，原曉龍，李熙顏，等．永椿香槐葉綠體基因組密碼子偏 好性分析［Ｊ］．分子植物育種，２０２３，２１（８）：２５８３－２５９０．

［１９］李衛英，辛 靜，趙文植，等．朱蕉葉綠體基因組特征與系統發 育分析［Ｊ］．熱帶作物學報，２０２２，４３（４）：６５３－６６５．

［２０］辛雅萱，董章宏，瞿紹宏，等．杜梨葉綠體基因組密碼子偏好性 分析［Ｊ］．河北農業大學學報，２０２０，４３（６）：５１－５９．

［２１］趙 森，鄧力華，陳 芬．秋茄葉綠體基因組密碼子使用偏好性 分析［Ｊ］．森林與環境學報，２０２０，４０（５）：５３４－５４１．

［２２］ＣａｉＺＱ，ＰｅｎａｆｌｏｒＣ，ＫｕｅｈｌＪＶ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｌｅｔｅｐｌａｓｔｉｄｇｅｎｏｍｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆＤｒｉｍｙｓ，Ｌｉｒｉｏｄｅｎｄｒｏｎ，ａｎｄＰｉｐｅｒ：ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅ ｐｈｙｌｏｇｅｎｅｔｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｏｆｍａｇｎｏｌｉｉｄｓ［Ｊ］．ＢＭＣ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｂｉｏｌｏｇｙ，２００６，６：７７．

［２３］金 剛，覃 旭，龍凌云，等．劍麻葉綠體基因組編碼序列密碼 子的使用特征［Ｊ］．福建農林大學學報（自然科學版），２０１８，４７ （６）：７０５－７１０．

［２４］屈亞亞，辛 靜，馮發玉，等．香花枇杷質體基因組序列密碼子 偏性分析［Ｊ］．西北林學院學報，２０２１，３６（４）：１３８－１４４，１５８．

［２５］何 柳，朱英杰，孫 超．金銀花中表達基因密碼子偏好性分析 ［Ｊ］．世界科學技術 －中醫藥現代化，２０１３，１５（３）：３６０－３６６．

［２６］馮 展，江 媛，鄭 燕，等．肉蓯蓉屬植物葉綠體基因組密碼 子偏好性分析［Ｊ］．中草藥，２０２３，５４（５）：１５４０－１５５０．

［２７］梁湘蘭，覃逸明，孫曉波，等．藿香葉綠體基因組密碼子偏好性 分析［Ｊ］．分子植物育種，２０２３，２１（３）：８０９－８１８．