11种金花茶叶绿体基因组密码子偏好性分析.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:福建省林业科技项目()福建省科技创新领军人才专项(/)作者简介:丁祥青()男 研究方向:园林植物与应用:.通信作者邹双全()男研究员 研究方向:森林培育与药用观赏植物栽培:.种金花茶叶绿体基因组密码子偏好性分析丁祥青 陈丝雨 陈佳婷 毕远洋 曾姣艳 邹双全(.福建农林大学园林学院福建 福州.福建农林大学林学院福建 福州.福州外语外贸学院福建 福州)摘要:对 种金花茶植物叶绿体全基因组序列进行蛋白编码序列筛选利用 在线程序、等软件解析了 种金花茶叶绿体基因组密码子使用模式探讨了其密码子偏好性的主要影响因素 结果表明:种金花茶叶绿体基因组密码子使用偏好性均较弱蛋白质编码区序列富含/碱基密码子第 位以/结尾为主 金花茶叶绿体基因组密码子偏好性形成受选择压力、突变压力等多种因素共同影响主要受选择压力影响 确定了 种金花茶叶绿体基因组的 个相同的最优密码子分别为、和 此外金花茶叶绿体基因组相对同义密码子使用度的聚类结果为金花茶的系统进化研究提供了依据开放科学(资源服务)标识码()关键词:金花茶 叶绿体基因组 密码子偏好性 系统进化中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.(.).(.):()()./.().:核酸通过密码子编码氨基酸编码相同氨基酸的密码子被定义为同义密码子 除蛋氨酸()和色氨酸()外其余氨基酸均由 个同义密码子编码 同义密码子的非随机使用被定义为密码子使用偏好性()研究表明多种因素会影响同义密码子偏好性如基因表达水平、基因长度和 组成等而突变压力和选择压力是影响生物体密码子偏倚的主要因素 通常亲缘关系较远的物种的叶绿体基因组密码子使用偏好性相对区别较大密码子偏好性不仅能反映物种或基因的起源和进化而且对基因功能和蛋白质表达也会产生重要影响对叶绿体基因组密码子使用偏好性的研究有利于在叶绿体基因工程中选择合适的基因以提高外源基因的表达效率山茶花具有极高的观赏价值在我国已具有上千年的栽培和观赏历史属于传统的十大名花以红、福建农林大学学报(自然科学版)第 卷 第 期 ()年 月粉、白为主色调 金花茶隶属于山茶科()山茶属()是一种古老的山茶花其花色金黄艳丽 金花茶的叶、花等器官中含有多酚、多糖、黄酮类、皂苷、氨基酸等多种活性成分是良好的食用药材具有清热解毒、利尿利湿的作用最近的研究表明其在降低血脂、血糖和防癌、抗癌方面可能具有特殊功效 目前金花茶的花作为良好的泡茶材料而畅销叶绿体是含绿色色素的质体 内含有独立的基因组即叶绿体基因组()叶绿体基因组被认为是内共生起源的 在古老的诱捕事件中原始的真核生物捕获并吞噬了古蓝藻成为内共生体随着时间的推移蓝藻基因组中大量基因转移到真核生物核基因组中导致其在遗传上依赖于真核生物而成为质体基因组 叶绿体基因组因体积小、拷贝数高等特点在基因工程方面备受关注与核基因转化相比叶绿体转化具有外源基因表达效率高、定点整合、无位置效应现象、遗传稳定、无花粉漂移等优势 叶绿体基因组密码子偏好性研究的目的通常是在植物中构建成熟和稳定的叶绿体转基因系统黄色山茶花的培育是山茶植物育种中的难题金花茶是通过基因工程培育黄色山茶花的重要材料研究金花茶叶绿体基因组密码子偏好性有助于推进黄色山茶花的培育进程也可为进一步了解其他物种叶绿体基因组的密码子使用模式提供参考 材料与方法.序列获取与筛选利用重测序数据组装并注释了抱茎金花茶()、显脉金花茶()、簇蕊金花茶()、夏石金花茶()、柠檬黄金花茶()、小果金花茶(.)、东兴金花茶()、防城金花茶(.)、毛籽金花茶()、平果金花茶()、武鸣金花茶()的叶绿体全基因组序列 使用 脚本提取蛋白质编码区()后删除重复、小于 和起始密码子非 的 检查确认剩下的 长度均为 的倍数含起始密码子()和终止密码子(、和)且序列中间未含终止密码子最终从 种金花茶得到 条 序列.密码子组成分析使用(:/./)和:/.:/获得 的平均 含量()密码子第、位的 含量(、)和有效密码子数()使用 .软件获得相对同义密码子使用度()使用 获得密码子第 位()、()、()和()含量.密码子偏好影响因素分析利用 绘制 分析、分析和中性绘图分析的散点图 为同义密码子第 位 含量 为 与 的平均值.同义密码子分析使用 整理数据后利用 绘制同义密码子分析热图.最优密码子分析选取 的密码子为高频密码子选取 最高和最低的基因并计算 将.(高表达 低表达)的密码子作为高表达密码子 最后将既为高频又为高表达的密码子定义为最优密码子.系统进化数构建在 软件中利用金花茶叶绿体基因组密码子的 绘制树状聚类图基于金花茶叶绿体基因组的 序列和全基因组序列采用最大似然法()法分别构建系统进化树福建农林大学学报(自然科学版)第 卷 结果与分析.密码子组成 种金花茶植物的、均低于且 表明 种金花茶叶绿体基因组序列富含/碱基不同位置的 含量相差较大叶绿体基因组密码子使用偏好/和/结尾的密码子(表)研究表明 为 通常当 时基因组或基因密码子使用偏好性较强且基因表达量较高而 较高说明基因含有较多种类的稀有密码子此类基因往往低表达且密码子偏好性较弱 种金花茶植物叶绿体基因组 的取值范围.均大于 此外金花茶植物密码子的 为 说明没有偏好性极强的密码子 这些结论均表明金花茶密码子偏好程度低表 种金花茶植物叶绿体基因组编码序列的密码子参数特征 物种 含量 含量 含量 含量 含量抱茎金花茶.显脉金花茶.簇蕊金花茶.夏石金花茶.柠檬黄金花茶.小果金花茶.东兴金花茶.防城金花茶.毛籽金花茶.平果金花茶.武鸣金花茶.影响密码子偏好性的因素.分析 种金花茶叶绿体基因组 的 和 分布相似(图)只有少数点靠近曲线但大多数点的 低于预期值且位于曲线以下(图中每个点代表 个基因)说明金花茶叶绿体基因组密码子使用偏好性受突变压力的影响较小而选择压力等因素起主要作用.抱茎金花茶.显脉金花茶.簇蕊金花茶.夏石金花茶.柠檬黄金花茶.小果金花茶.东兴金花茶.防城金花茶.毛籽金花茶.平果金花茶.武鸣金花茶图 种金花茶植物叶绿体基因组 分析.第 期丁祥青等:种金花茶叶绿体基因组密码子偏好性分析.分析 当突变压力单独影响密码子偏好性时突变的随机性使密码子第 位为/或/的概率相等而选择压力会使/或/的使用次数不同或者使用不均等 坐标点不相等地分布在 个象限内(图)主要分布在 区密码子第 位表现为 的使用频率高于 的使用频率高于 进一步说明金花茶叶绿体基因密码子使用偏好性不仅受突变压力的影响还受选择压力等因素的影响.抱茎金花茶.显脉金花茶.簇蕊金花茶.夏石金花茶.柠檬黄金花茶.小果金花茶.东兴金花茶.防城金花茶.毛籽金花茶.平果金花茶.武鸣金花茶图 种金花茶植物叶绿体基因组 分析.中性绘图分析 和 的分布范围较窄(图)表明突变压力对密码子使用偏好性的影响较小中性图斜率为.表明突变压力对密码子使用偏好性的影响仅占.而选择压力占.中性绘图分析结果表明金花茶植物叶绿体基因组密码子使用偏好性主要受到选择压力的影响突变压力等因素对密码子偏好性的影响较小.同义密码子 表示某一密码子实际使用频率与其理论预期使用频率的比值 当 表示密码子不存在使用偏好性密码子使用频率与其同义密码子的使用频率相等当 表示密码子使用偏好性强当 的高频密码子数有 个以/结尾的有 个说明其叶绿体基因组中高频密码子偏好使用/结尾 相比之下具有负偏倚的密码子()大多以/结尾.最优密码子 种金花茶的最优密码子数为 个(表)其中密码子数为 个的有抱茎金花茶、夏石金花茶、柠檬黄金花茶、毛籽金花茶、平果金花茶和武鸣金花茶密码子数为 个的有显脉金花茶、小果金花茶、东兴金花茶和防城金花茶 共同的最优密码子有 个分别是(丙氨酸)、(丙氨酸)、(半胱氨酸)、(谷氨酸)、(赖氨酸)、(亮氨酸)、(亮氨酸)、(谷氨酰胺)、(精氨酸)和(缬氨福建农林大学学报(自然科学版)第 卷酸)密码子第 位均以/结尾.抱茎金花茶.显脉金花茶.簇蕊金花茶.夏石金花茶.柠檬黄金花茶.小果金花茶.东兴金花茶.防城金花茶.毛籽金花茶.平果金花茶.武鸣金花茶图 种金花茶植物叶绿体基因组中性绘图分析.颜色越深表示 越高图 种金花茶植物叶绿体基因组同义密码子分析.表 种金花茶植物叶绿体基因组的最优密码子分析)物种最优密码子抱茎金花茶 显脉金花茶 簇蕊金花茶 夏石金花茶 柠檬黄金花茶 小果金花茶 东兴金花茶 防城金花茶 毛籽金花茶 平果金花茶 武鸣金花茶 )下划线代表 种金花茶相同的最优密码子.系统进化基于 种金花茶叶绿体基因组全序列构建的 树与 序列类似(图)仅抱茎金花茶和柠檬黄金 第 期丁祥青等:种金花茶叶绿体基因组密码子偏好性分析花茶的分支位置存在差异 与 的聚类结果相比仅夏石金花茶的位置存在差异 综合这些结果可将 种金花茶聚为 个分支第 个分支为抱茎金花茶和柠檬黄金花茶第 个分支为小果金花茶、防城金花茶、显脉金花茶和东兴金花茶第 个分支为武鸣金花茶、夏石金花茶、毛籽金花茶、簇蕊金花茶和平果金花茶它们彼此之间进化相似且亲缘关系较近.基于 的树状聚类.基于叶绿体 序列的系统进化树.基于叶绿体全基因组序列的系统进化树图 种金花茶植物的系统进化树.讨论与结论密码子使用偏好性是基因组的重要进化特征从原核生物到真核生物的许多生物体都有广泛研究其中植物质体基因组具有和低等生物相似的密码子使用模式这支持了蓝藻细菌(通过内共生)叶绿体的起源 在山茶属中普通油茶、金花茶、茶的叶绿体基因组密码子偏好性已得到一定研究本研究探讨了 种金花茶的叶绿体基因组密码子偏好性的主要影响因素 类似于大部分被子植物金花茶叶绿体基因组偏好性主要受选择压力影响受突变压力影响较小和之前山茶属植物的研究结果一致 而秋茄()和蒺藜苜蓿()的研究表明叶绿体基因组密码子偏好性主要受突变压力影响 金花茶叶绿体基因组偏好性主要受选择压力影响而其近缘物种茶树核基因组的密码子偏好性主要受突变压力影响具有不同的密码子使用模式和影响因素这可能与叶绿体基因组更具有同源性、叶绿体基因组 相较于核基因组 更为保守有关本研究确认了 种金花茶的 个相同的最优密码子通常情况下密码子使用偏好性越强其基因表达水平越高包含这些最优密码子的叶绿体基因可能具有较高的表达水平 种金花茶最优密码子的确定为福建农林大学学报(自然科学版)第 卷今后金花茶叶绿体基因工程等研究提供了理论依据 基于 种金花茶叶绿体基因组序列、序列和 构建了系统进化树和聚类树状图 个树图拓扑结构较为一致说明即使在低分类水平的近缘物种中叶绿体基因组仍然保持高度保守编码基因的密码子偏好性也相似 然而仍然存在差异这些差异在一定程度上可以用来区分金花茶植物的亲缘关系的远近 通过分析金花茶植物叶绿体基因组密码子的使用偏好性可以为金花茶植物系统发育关系的研究提供依据 本研究分析了 种金花茶叶绿体基因组密码子偏好性及其影响因素明确了最优密码子讨论了金花茶植物的系统发育关系对于金花茶植物乃至整个山茶属叶绿体基因组的研究具有重要意义参考文献 毛立彦黄秋伟龙凌云等.种睡莲属植物叶绿体基因组密码子偏好性分析.西北林学院学报():.耿晓姗贾魏陈佳宁等.金花茶叶绿体基因组密码子偏好性分析.分子植物育种():.江淑珍连辉熊远芳等.米槠叶绿体基因组密码子偏好性分析/.分子植物育种:.:/./.黄祥楚光明郑新开等.睡莲属叶绿体基因组密码子偏好性及系统发育分析.中国农业科技导报():.():.():.:.:./.:.:./.丁祥青毕远洋陈佳婷等.抱茎金花茶()的叶绿体基因组特征分析.江苏农业科学():.:.():.辛雅萱黎若竹李鑫等.杧果叶绿体基因组密码子使用偏好性分析.中南林业科技大学学报():.():.():.王鹏良杨利平吴红英等.普通油茶叶绿体基因组密码子偏好性分析.广西植物():.:.():.王占军李豹姜行舟等.两种茶树全基因组数据的密码子偏好性比较分析.中国细胞生物学学报():.张月荣.禾本科叶绿体基因组密码子使用模式及紫茎泽兰叶绿体 编辑分析.咸阳:西北农林科技大学.(责任编辑:吴显达)第 期丁祥青等:种金花茶叶绿体基因组密码子偏好性分析