川续断目代表性类群叶绿体基因组变异和进化研究

论文摘要

川续断目（Dipsacales）是被子植物的一个重要分支,多为木本植物,主要包含两个科,49个属,约1,090个物种,主要分布在北半球,以及南半球的部分地区。忍冬属（Lonicera）是川续断目下忍冬科（Caprifoliaceae）的主要组成类群,约含200个物种,包含大量的园艺观赏性植物和药用植物。目前对于川续断目及忍冬属物种的研究主要集中在生态领域及中药领域。同时,对其物种进化关系的研究主要是利用一些分子标记序列及形态学证据,并未从基因组学水平上对其物种之间的进化关系进行解释。叶绿体基因组具有长度小,单亲遗传,核苷酸替换率低,基因和基因组结构简单保守等特点,是研究物种系统进化的重要分子工具。本研究测序组装了十个川续断目物种的叶绿体全基因组序列,并从Genbank中下载七种该目物种叶绿体基因组数据,运用生物信息学方法对其进行比较基因组学分析,同时利用不同数据集及不同软件构建该目的系统进化关系。本研究的主要内容及结果如下:1.十四个川续断目物种叶绿体基因组结构变异及系统进化分析组装和注释叶绿体基因组序列结果表明,川续断目物种叶绿体基因组是一个四部分环状DNA分子;六个五福花科物种叶绿体基因组总长度为157,074 bp-158,305 bp,编码129个功能基因,包括84个蛋白编码基因,37个tRNA基因及8个rRNA基因;八个忍冬科物种叶绿体基因组总长度为154,732bp-156,874bp,编码128个功能基因,包含82个蛋白编码基因,tRNA基因和rRNA基因数量与五福花科相同,其accD是假基因;rpl2和rpl23基因在忍冬科叶绿体基因组中丢失了一对拷贝,而ndhF基因在五福花科叶绿体基因组中丢失,这些基因均位于IR/SC边界处,两个科的物种在IR/SC边界处存在较大序列差异,推测五福花科和忍冬科基因组结构差异主要由于IR区的扩张和收缩所导致。重复序列分析表明,在14个川续断目物种叶绿体基因组中,散在重复序列（Adoxaceae=37;Caprifoliaceae=384）的数量要高于串联重复序列（Adoxaceae=34;Caprifoliaceae=291）。选择压力分析检测到了19个具有受选择位点的基因（atpA,atpB,atpI,rps3,rps7,rps14,rps15,rpl22,rpl32,psaA,psaJ,psbC,pabK,clpP,infA,matK,rbcL,ycf1和ycf2）,可能与川续断目物种的适应性进化有关。进一步利用多种方法以及不同的数据集构建川续断目物种的系统进化关系,结果表明,川续断目物种分为两个的遗传大支;其中忍冬科和五福花科的冠节分化事件主要发生在白垩纪晚期到第三纪早期,约81.14百万年前（Myr）。同时,传统分类下忍冬科的接骨木属和荚蒾属与五福花科其他属形成了一个单系分支,接骨木属和荚蒾属的分化均发生在始新世,约47.16-34.02 Myr;五福花属,四福花属以及华福花属有着较近的亲缘关系,分化时间为中新世的15-16 Myr。在忍冬科物种中,锦带花属最早分化出来,其分化时间约在古新世的61.71 Myr;蝟实和双盾木组成的北极花族的分化发生在约39.79 Myr;忍冬属最后分化出来,其多样化时间主要发生在19.05 Myr后。2.七个忍冬属物种叶绿体基因组进化分析叶绿体基因组结构变异分析表明,忍冬属物种叶绿体基因组结构与忍冬科类似,七个忍冬属物种叶绿体基因组总长度为154,513 bp-155,545 bp。简单重复序列（SSR）分析表明,单核苷酸重复类型的数量最多,其次是四核苷酸重复类型,二核苷酸,三核苷酸,六核苷酸及五核苷酸重复类型。同时,检测到了18个序列变异热点区域（rps15,rps16,rps18,rpl23,psaJ,infA,ycf1,trnN-GUU-ndhF,rpoC2-rpoC1,rbcL-psaI,trnI-CAU-ycf2,psbZ-trnG-UCC,trnK-UUU-rps16,infA-rps8,rpl14-rpl16,trnV-GAC-rrn16,trnL-UAA intron和rps12-clpP）。进一步利用PAML软件检测了七个物种叶绿体基因组中基因的受选择位点,发现14个基因存在正向选择的位点,其中包括核糖体蛋白亚基的两个基因（rps7和rpl22）,光系统蛋白亚基的三个基因（psaJ,psbC和ycf4）,三个NADH氧化还原酶基因（ndhB,ndhH和ndhK）,ATP基因的两个亚基（atpA和atpB）,以及其他四个基因（infA,rbcL,ycf1和ycf2）。系统发育分析表明,忍冬属中盘叶忍冬作为轮花亚属的组成与其他六个忍冬属物种形成一个姐妹分支,红脉忍冬,葱皮忍冬,苦糖果和忍冬分别属于忍冬亚属的不同亚组,各自形成一个单系,而冠果忍冬和刚毛忍冬属于大苞亚组形成一支;同时,囊管组的葱皮忍冬和红脉忍冬与忍冬组的忍冬有着较近的亲缘关系。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 范伟兵

导师: 李忠虎

关键词: 川续断目,忍冬属,叶绿体基因组,系统发育关系,分子进化

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 西北大学

分类号: Q943.2

总页数: 94

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