重楼属叶绿体系统发育基因组学与生物地理学研究

论文摘要

重楼属（Paris L.）隶属于黑药花科（Melanthiaceae）重楼族（Parideae）,该属植物具有极高的药用价值和经济价值。然而,该属在系统发育和分布区形成上仍存在诸多疑点与争议。本研究共测序了38种黑药花科植物（33种为重楼属植物）的叶绿体全基因组和核糖体DNA（rDNA）序列。通过比较基因组结构,揭示了重楼属叶绿体基因组特征;基于叶绿体全基因组（包括已发表9个黑药花科植物序列）及rDNA序列构建系统发育树,阐释了黑药花科及重楼属内的系统发育关系;通过估算黑药花科的分化时间、重构重楼属植物的祖先分布区,进一步解释了重楼属的起源及现代分布格局的成因,并对重楼属内出现的超大基因组现象进行了诠释:此外,基于系统发育关系,分析了重楼属的核苷酸替代率。1.比较基因组研究重楼属植物的叶绿体基因组高度保守,均为一个闭合环状DNA分子,由1个大单拷贝区、1个小单拷贝区和2个反向重复区组成。所有个体的叶绿体基因组总长在155,957-158,643 bp之间,总GC含量为37.20%-37.70%,均含114个单拷贝基因（80个蛋白质编码基因、30个/RNA基因、4个rRNA基因）,无明显的基因缺失和结构重排现象。在这些单拷贝基因中,cemA和ycf15基因在重楼属内均为假基因。cemA基因的假基因化也出现于延龄草属（Trillium L.）中,这可能是重楼族的共有衍征。整个重楼属叶绿体基因组的IRA/LSC交界区均位于rps3基因上,该现象仅发现于黑药花科植物中。在IRA/SSC交界区,IRA均扩张进yc假基因,然而ycfl假基因与ndhF基因重叠现象仅出现在日本重楼组[Section Kinugasa（Tategawi et Suto）Hara]中。结合系统发育关系发现,随着重楼属的进化,IRB向ycfl基因内逐步扩张。此外,重楼属中存在5个变异热点区,分别为ndhF、ycfl、rpl23-ycf2、ycf15-trnLCAA和trnN GUU-ycfl。2.系统发育研究基于rDNA序列和叶绿体全基因组构建的系统树拓扑结构出现明显的冲突,通过分析重楼属的物种历史（Species history）和形态特征,推测这可能与属间（重楼属与延龄草属）古杂交（Ancienthybridization）、重楼属内组间古杂交和近期杂交[蚤休组Sect.Euthyra（Salisb.）Franch.与五指莲组Sect.AxiparH.H.Li]以及不完全谱系分化和种间杂交（蚤休组Sect.Euthyra）有关。基于叶绿体基因组重建了黑药花科5个族（藜芦族Melanthieae、白丝草族Chionographideae、胡麻花族Heloniadeae、熊尾草族Xerophylleae和重楼族Parideae）的系统发育关系。同时,重楼属和延龄草属的单系及姐妹群关系获得了较高的支持。因此,重楼属在分类学范畴上应处理为一个属。李恒（1984.1998）将重楼属划分为两个亚属（侧膜亚属Subgen.Daiswa中轴亚属 Subgen.Paris）,但它们各自作为一个单系均未得到支持,建议取消亚属分类等级;蚤休组（Sect.Euthyra）、海南组（Sect.Dunnianae H.Li）、球药隔组（Sect.Fargesianae H.Li）和花叶组（Sect.Marnmoata H.Li）的单系也没有得到支持,建议将海南组（Sect.Dunnianae）、球药隔组（Sect.Fargesianae）和花叶组（Sect.Marmoata）归入蚤休组（Sect.Euthyra）中。系统发育基因组研究支持将重楼属划分为5个组:蚤休组（Sect.Euthyra）、五指莲组（Sect.Axiparis）、黑籽组（Sect.Thibeticae H.Li）、日本重楼组（Sect.Kinugasa）和北重楼组（Sect.Paris Hara）。此外,系统发育分析显示多叶重楼（Paris polyphylla Smith）与其变种不是单系类群,建议将华重楼[P.polyphylla var.chinensis（Franch.）Hara]、滇重楼[P.polyphylla var.yunnanensis（Ftanch.）Hand.-Mazz]、狭叶重楼（P.polyphylla var.stenophylla Franch.）由变种恢复为种。3.祖先分布区及分化时间研究基于系统发育关系重构重楼属的祖先分布区并估算黑药花科的分化时间。结果表明,重楼属的最近共同祖先可能起源于东北亚和华北地区,在始新世/渐新世界线附近（约37.9 Mya）开始分化,并逐渐向欧洲和东亚亚热带地区扩散。在环太平洋的造山运动（渐新世/中新世界线附近）、亚洲夏季风加强（中中新世以来）、青藏高原隆升（晚中新世—早上新世）、冰期/间冰期循环（更新世）等地质和气候事件作用下,形成了高度隔离和异质化的生境,促进了重楼属植物的辐射演化。4.日本重楼（P.japonica）超大基因的组形成目前,在黑药花科中仅发现延龄草属的T.×hagae Miyabe et Tatewaki、T.rhombifolium Raf.与重楼属的日本重楼[P.japonica（Franch.et Sav.）Franch.]持有超大基因组（1C>100pg）。系统发育和分化时间分析表明,重楼属和延龄草属祖先基因组的扩增可能是一个持续了约1000万年的渐进过程。从系统发育关系看,它们的超大基因组可能来源于共同的祖先。其次,渐新世/中新世界线附近（27.63 Mya）日本群岛从亚洲大陆分开后形成的相对湿润的海洋性气候可能为维持日本重楼（P.japonica）的超大基因组提供了有利条件。5.叶绿体基因组蛋白质编码基因的分化在重楼属5个组叶绿体蛋白质编码基因的核苷酸替代率分析中发现accD、ccsA、clpP、ndhD、ndhF、ndhG、petA、petB、rbcL、rpl2、rpl20、rpoA、rpoB、rpoC1、rps2、ycf1、ycf2、atpF、ndhA、ndhB、ndhC、ndh1、petD、psbC、psbD、psbE、psbN、rp16、rpl32、rpoC2、rps3、rps7、rps8、rps 12和rps14基因的ω（dN/dS）值均存在大于1的情况（p<0.05）,表明这些蛋白质编码基因在进化过程中可能受到了正选择（Positive selection）。

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摘要

Abstract

前言

第一章研究概述

1.1 叶绿体系统发育基因组学研究

1.2 重楼属研究

1.2.1 分类学研究

1.2.2 孢粉学研究

1.2.3 细胞学研究

1.2.4 系统学研究

1.2.5 叶绿体基因组研究

1.2.6 生物地理学研究

1.3 超大基因组研究

第二章材料和方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 叶绿体基因组和核糖体DNA （rDNA）的测序与拼接

2.2.2 叶绿体基因组的注释、比较及核糖体DNA （rDNA）的注释

2.2.3 重楼属系统发育分析

2.2.4 重楼属分化时间估算

2.2.5 重楼属祖先分布区重构

2.2.6 重楼属叶绿体基因选择压力分析

第三章结果

3.1 重楼属叶绿体基因组特征

3.2 重楼属叶绿体基因组比较

3.3 重楼属系统发育分析

3.4 重楼属分化时间估算及祖先分布区的重构

3.5 重楼属叶绿体基因组正选择分析

第四章讨论

4.1 比较基因组分析

4.2 系统发育分析

4.3 分布区形成分析

4.4 日本重楼（P.japonica）超大基因组形成分析

4.5 重楼属叶绿体基因组蛋白质编码基因的分化

第五章结论

参考文献

附录

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨丽芳

导师: 纪运恒,马海英

关键词: 叶绿体基因组,核糖体,系统基因组学,生物地理,超大基因组,重楼属

来源: 云南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 云南大学

分类号: Q943.2

总页数: 102

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