鹅耳枥属树种叶绿体基因组结构及变异分析

【目的】了解鹅耳枥属(Carpinus)树种叶绿体基因组基因组成及结构特征,为鹅耳枥属的系统发育及基因组进化研究提供参考。【方法】获取鹅耳枥属16个树种的叶绿体基因组,对其进行基因注释,利用生物信息学方法比较叶绿体基因组间的结构特征与变异程度,并以麻栎(Quercus acutissima)为外类群分析了鹅耳枥属的系统发育关系。【结果】鹅耳枥属16个树种的叶绿体基因组均为双链环形结构,均包含1个长单拷贝区(LSC)、1个短单拷贝区(SSC)以及2个反向重复区(IRa和IRb)。叶绿体基因组大小差异较小,最大差异仅1 902 bp。基因排列顺序基本一致,各基因数量相对保守,其中核糖体RNA(rRNA)数量最为保守,所有树种均为8个。此外,鹅耳枥属树种叶绿体基因组在序列长度、基因组成以及GC含量等方面相对保守,但4个边界存在明显的多样性。鹅耳枥属叶绿体基因组中非基因编码区存在较大差异,变异程度较高,而基因编码区差异较小,具有较高的保守性。在叶绿体基因组4个部分中,LSC区的变异程度最高,IRa区的变异程度最低。鹅耳枥属叶绿体基因组中psbA、rps16、atpA、rps19、ndhF、ndhI以及ycf1等基因的编码区存在显著差异。此外,ycf3-trnS, trnS-rps4, trnH-psbA, psbZ-trnfM, matK-rps16, rps16-trnQ, trnQ-psbK, ccsA-ndhD, accD-psaI, ndhC-trnV, trnT-trnL, trnF-ndhJ, atpB-rbcL, trnT-psbD, trnE-trnT, trnD-trnY, rpl32-trnl等基因间隔区的非编码区差异较大。绝大部分基因的编码区长度十分保守,含内含子的蛋白编码基因长度变异主要来源于内含子长度或编码区长度。系统发育分析结果将鹅耳枥属划分为鹅耳枥组与千金榆组,此外由于地理隔离导致欧洲鹅耳枥(C. betulus)、美洲鹅耳枥(C. caroliniana)与鹅耳枥属其他树种表现出较远的亲缘关系。【结论】鹅耳枥属树种叶绿体基因组具有较高的保守性,其基因排列顺序基本一致,未检测到大规模的倒位或基因重排,但其IR区与单拷贝区(SC)边界存在明显的多样性。基于叶绿体基因组构建的系统发育树在一定程度上可以揭示鹅耳枥属树种的系统发育关系。     

杨树系统发育和分子进化研究

采用 PCR直接测序法测定了杨属 5个组主要代表种的 ITS全序列和叶绿体 Trn L-Trn F基因间隔区序列 ,通过序列分析探讨杨属植物各组之间系统发育关系和分子进化规律。杨属 ITS序列长度为 594 bp,其中 ITS-1是 2 2 0 bp,ITS-2为 2 1 0 bp,5.8s是 1 6 4bp,青杨组部分种在 ITS-2区有一段 9bp碱基的缺失。G+C含量大约是 6 9%。ITS-1序列的碱基变化以转换和颠换为主 ,而 ITS-2序列则以转换和插入、缺失形式存在。具有系统发育意义的信息位点主要分布在 ITS-2区间。从序列分析所得系统树可看出 ,杨属为单系起源 ,其 Bootstrap值支持率达到 1 0 0 %。各组在杨属中明显是独立的 ,黑杨组、胡杨组、青杨组和大叶杨组 4组亦为单系起源 ,并得到了 Bootstrap值的有力支持 ( 97% )。白杨组起源较早 ,而胡杨组和黑杨组则起源较晚 ,白杨组与其它各组之间的亲缘关系相对较远。各组在分歧以后沿着各自的方向演化。ITS全序列分析对研究杨属各组间系统发育关系是一种较好的分子标记。杨属 Trn L-Trn F基因间隔区序列长度约 350 bp左右 ,但由于插入和缺失造成长度上的较大变化 ,使其具有系统发育意义的信息位点大大高于以前在其他植物上的报道 ,未能很好地反映出杨属 5组之间的系统发育关系。ITS序列分析表明青杨组遗传变化较     

扬子鳃蛭线粒体基因组全序列测定及其系统学地位——基于Pacbio和Illumina技术

利用Illumina和Pacbio测序技术对扬子鳃蛭（Ozobranchus jantseanus）线粒体基因组全序列进行测序及注释，并与NCBI数据库中蛭纲（Hirudinea）其他物种的线粒体全序列的排列方式和系统进化关系进行了比较，以确定其系统学地位.结果显示：获得的线粒体基因组序列长度为14 868 bp，蛋白编码基因存在2种起始密码子，分别为ATG和ATT；终止密码子共有4种，分别为TAA，TAG，TA和T；蛭纲10个物种的线粒体基因组全序列基因排序可分为2种类型，其差异表现在tRNAs的互换和长非编码区的长度的不同；扬子鳃蛭所属的吻蛭目（Rhynchobdellida）均为b型，绝大部分无吻蛭目（Arhynchobdellida）的排列方式为a型.基于蛭纲物种的13个蛋白编码基因(PCGs)的Neighbor-Joining（NJ）树进化分析显示，扬子鳃蛭与其他吻蛭目物种聚类.     

基于叶绿体基因组序列对50种菊科植物亲缘关系分析

菊科为双子叶植物纲的第一大科,其科内等级划分和系统学研究存在巨大挑战。叶绿体基因组具有高度的保守性和较慢的进化速率,其在植物系统发育和物种进化研究中应用广泛。对菊科20个属50种植物叶绿体基因组序列进行亲缘关系分析,基于叶绿体基因组编码序列(coding sequence, CDS)、rbcL基因序列、rbcL+matK基因序列分别构建系统发育树,并对其中8个物种进行密码子偏好性分析和IR(Inverted Repeat)边界分析。比较3种方法构建的系统发育树,发现利用单个基因序列或两个基因序列构建的系统发育树与CDS序列构建的系统发育树在属间结果不一致,且CDS构建的系统发育树自展支持率高于其余两种,表明基于单基因序列或基因串联序列适用于属内物种的研究,而CDS序列适用于属间物种的研究。密码子偏好性研究显示选取的8个物种都对A/U结尾的密码子有偏好性。边界序列分析结果显示4个物种菊科植物的IR边界序列ycfI基因有缺失。研究结果为菊科植物的遗传进化和系统发育研究提供了理论支撑。     

扬子鳃蛭线粒体基因组全序列测定及其系统学地位——基于Pacbio和Illumina技术

利用Illumina和Pacbio测序技术对扬子鳃蛭（Ozobranchus jantseanus）线粒体基因组全序列进行测序及注释，并与NCBI数据库中蛭纲（Hirudinea）其他物种的线粒体全序列的排列方式和系统进化关系进行了比较，以确定其系统学地位.结果显示：获得的线粒体基因组序列长度为14 868 bp，蛋白编码基因存在2种起始密码子，分别为ATG和ATT；终止密码子共有4种，分别为TAA，TAG，TA和T；蛭纲10个物种的线粒体基因组全序列基因排序可分为2种类型，其差异表现在tRNAs的互换和长非编码区的长度的不同；扬子鳃蛭所属的吻蛭目（Rhynchobdellida）均为b型，绝大部分无吻蛭目（Arhynchobdellida）的排列方式为a型.基于蛭纲物种的13个蛋白编码基因(PCGs)的Neighbor-Joining（NJ）树进化分析显示，扬子鳃蛭与其他吻蛭目物种聚类.     

浅蛤属(Macridiscus)物种特异性线粒体DNA分子标记及其长度多态性和个体内异质性

浅蛤属(Macridiscus)包括3个形态非常相似的物种,即黑浅蛤(M .melanaegis)、等边浅蛤(M .multifarius)和半步目浅蛤(M .semicancellata),其中前二者为同域分布.根据形态学特征,浅蛤属物种较难区分.本研究以改进的CTAB法提取浅蛤个体基因组DNA 后,用引物Macr_CO1_F16834和Cytb_Macr_R2PCR 配对进行聚合酶链式反应(PCR),扩增线粒体DNA控制区至细胞色素b基因(Cytb)的DNA 片段并进行序列测定,结果发现在黑浅蛤控制区偏3′端,存在该种特有的长度为363bp的数目可变串联重复序列(variablenumberoftandemrepeat,VNTR),种内因该VNTR出现1~3次不等的串联拷贝,而表现出广泛的长度多态性和个体内线粒体异质性现象,这是目前在动物线粒体控制区中发现的最大的VNTR;在半步目浅蛤的控制区的偏3′端,则同时存在14和17bp的2个较短的VNTRs,该物种也因这2个VNTRs的拷贝数目不同,而存在广泛的长度多态性;而等边浅蛤的该段序列长度保守,没有与其他物种共享的VNTR.以该段序列作为分子标记,运用PCR技术能够快速准确地识别浅蛤属物种.      

马铃薯与其野生近缘种叶绿体基因组差异分析

叶绿体基因组是植物基因组的重要组成部分,解析马铃薯及其野生近缘种的叶绿体基因组结构差异对理解马铃薯的进化具有重要的意义.选择Solanum fernandezianum、Solanum etuberosum、Solanum palustre和Solanum phureja进行叶绿体基因组的组装和结构分析.发现它们叶绿体基因组的长度为155 283～155 492 bp,总GC含量变异较小,为37.86%～37.94%,基因的数目均为113个.通过基因组序列差异比较分析,共鉴定了725个单核苷酸多态性(SNP)、62个插入和47个缺失.其中,有229个SNP和3个缺失在马铃薯中是独有的,分别落在了49个和3个基因上.简单重复序列(SSR)分析发现,群体中只存在单核苷酸和二核苷酸的重复,总的变异数目在马铃薯中最少.序列相似性分析结果表明在马铃薯栽培种和野生种之间存在3个差异较大的区域.基于叶绿体全基因组的系统进化树分析发现,三个野生种中S.etuberosum和S.palustre具有更近的亲缘关系.     

菠菜性别差异NUPTs序列的克隆及分析

质体DNA向核基因组转移能够形成核质体DNA,核质体DNA序列的插入是推动动植物基因组及染色体组演化的重要动力.但是核质体DNA的插入和植物性染色体起源及演化之间的关系仍不清楚.以雌雄异株植物菠菜为材料,利用基因组消减杂交技术筛选分离菠菜雌雄基因组差异的NUPTs序列,并进行验证和分析.结果表明,从构建的菠菜消减杂交文库中共得到39条长度为75~308 bp的雌雄差异序列,其平均长度约为154 bp.对获得的序列进行Blastn同源比对发现了12条序列为叶绿体基因组来源序列,这些序列与菠菜叶绿体基因组相似度在98%以上,说明所获得的差异片段为核质体DNA序列.将筛选出的核质体DNA序列进行进一步验证后获得了两个稳定的长度分别为146 bp和199 bp的雄性偏好核质体DNA序列,说明所获得的两个NUPTs序列在菠菜雄性基因组中有更多的累积.     

浙江近无柄雅榕古树叶绿体基因组特征分析

以一株浙江近无柄雅榕古树为研究对象,通过Illumina HiSeq测序平台对其叶绿体基因组进行了测序,分析了其叶绿体基因组结构特征及其近缘种间关系。结果表明:近无柄雅榕叶绿体DNA全长160 292 bp,具有典型的环状结构,由4个区域组成,包括1个大单拷贝区(large single copy,LSC)、1个小单拷贝区(small single copy,SSC)和一对分开的反向重复区域(inverted repeat,IR),LSC、SSC、IR的长度分别为88 565、20 145和25 791 bp;共注释出118个基因,其中包括4个rRNA基因、31个tRNA基因和83个蛋白质编码基因;共检索到68个SSR,其中包括11个复合型SSR、52个单碱基重复、4个二碱基重复和1个三碱基重复;与蛋白质编码基因对应的密码子偏好使用A/T碱基,在所有密码子中编码亮氨酸(Leu)的密码子最多;在系统发育树上,近无柄雅榕与已报道的菩提树亲缘关系最近,同源性达99%以上。     

等边浅蛤线粒体全基因组测序和系统发育研究

采用高通量测序技术对等边浅蛤的线粒体全基因组进行了测序,并通过拼接、组装得到了完整的线粒体基因组序列。研究结果表明:环状线粒体基因组总长度为20 248 bp,由13个蛋白编码基因,22个tRNA基因,2个rRNA基因及1个控制区组成,所有基因均在重链编码。等边浅蛤线粒体基因碱基组成为A(28.55%),T(39.33%),C(10.40%)和G(21.72%),A+T含量为67.88%,具有AT偏好性。D-loop控制区位于COX1基因和Cytb基因之间,长度为1 944 bp。利用帘蛤科16个物种及缢蛏(外群)的线粒体基因组的12个蛋白质编码基因构建NJ系统进化树。结果表明,等边浅蛤与菲律宾蛤仔聚为一支,亲缘关系最近。该研究将补充浅蛤属线粒体基因组信息,为浅蛤属以及帘蛤科的系统发生关系及进化地位积累有价值的数据资料。     

杨盘单格孢菌〔Marssonina populi (Lib.)Magn.〕的两种专化型

<正>华东地区杨树黑斑病是由杨盘单格孢菌(Marssonina populi)引起的,病害主要为害白杨派树种和黑杨派树种以及它们的杂交种。杨盘单格孢菌根据孢子萌发的形态、生理和寄主范围可以分为两个专化型。单芽管专化型(M.populi f.sp.monogermtubi)的分生孢子萌发时产生 1个芽管;在蒸馏水中基本上不萌发,在自来水中萌发良好,2小时开始萌发,9小时即达高峰;孢子萌发温度为12-28℃;孢子表面无萌发抑制物质;寄主以白杨派树种及派内杂交种为主。多芽管专化型(M.populi f.sp.multigermtubi)的分生孢子萌发时产生1-5个芽管,多为2-3个;蒸馏水中能萌发但不及自来水中萌发率高;在自来水中4小时开始萌发,13小时以后才达高峰;萌发温度为16-32℃;孢子表面有水溶性萌发抑制物质,须用清水洗涤后才能萌发;寄主以黑杨派树种及派内杂交种和黑杨派与青杨派杂交种为主。两种专化型用孢子萌发试验即可鉴别。     

郑州大学新校区喜鹊巢址选择研究

2008年3月至2009年2月对郑州大学新校区的喜鹊巢址选择进行了调查研究.结果表明,喜鹊倾向于在阔叶树上筑巢,尤其是响叶杨(Populus adenopoda)和悬铃木(Platanus acerifolia),两种树共占72.6%;喜鹊巢分布型属集群分布型;巢位高度、支巢树枝数、人为干扰度等3个生态因子是喜鹊巢址选择的主导因子.     

球状轮藻叶绿体全基因组的组装与特征分析

为揭示球状轮藻叶绿体全基因组的特征以及探究其在轮藻科内的系统发育关系,本研究基于高通量测序技术对其叶绿体全基因组进行组装和序列分析.结果表明:球状轮藻叶绿体基因组全长180 652 bp, GC含量26.6%,具有典型的四分体环状结构,与普生轮藻十分类似;球状轮藻叶绿体基因组共注释出137个基因,其中包括94个蛋白质编码基因、37个tRNA基因和6个rRNA基因,比无色丽藻多2个蛋白质编码基因和3个tRNA基因,与高等植物相比具有rpl12、trnL(gag)、rpl19、ycf20四个特殊基因;球状轮藻叶绿体全基因组共检测出87个SSR位点且绝大部分由A和T构成;此外,球状轮藻共包含24 989个密码子且密码子使用更偏好A和T,亮氨酸(Leu)是编码氨基酸最多的密码子;通过邻近法(NJ)对包括球状轮藻在内的5个种的叶绿体全基因组构建系统发育树显示,球状轮藻的亲缘关系与普生轮藻更为接近.本研究对球状轮藻叶绿体全基因组进行了解析,利用现有数据确立其系统发育学地位.     

Evolution of genes and genomes on the Drosophila phylogeny

Comparative analysis of multiple genomes in a phylogenetic framework dramatically improves the precision and sensitivity of evolutionary inference, producing more robust results than single-genome analyses can provide. The genomes of 12 Drosophila species, ten of which are presented here for the first time (sechellia, simulans, yakuba, erecta, ananassae, persimilis, willistoni, mojavensis, virilis and grimshawi), illustrate how rates and patterns of sequence divergence across taxa can illuminate evolutionary processes on a genomic scale. These genome sequences augment the formidable genetic tools that have made Drosophila melanogaster a pre-eminent model for animal genetics, and will further catalyse fundamental research on mechanisms of development, cell biology, genetics, disease, neurobiology, behaviour, physiology and evolution. Despite remarkable similarities among these Drosophila species, we identified many putatively non-neutral changes in protein-coding genes, non-coding RNA genes, and cis-regulatory regions. These may prove to underlie differences in the ecology and behaviour of these diverse species.     

杨树锈病抗性遗传特性及基因克隆策略研究进展

杨树全基因组测序工作显示,抗病基因往往呈簇状分布,采用合理的策略克隆出物理上独立的抗病基因,可为抗病育种工作提供捷径。笔者从杨树锈病病原菌生物学特性、寄主对锈菌的抗性、抗锈病基因克隆等几个方面分析了近年来关于杨树抗性遗传位点的确定,抗性基因克隆策略的发展及可能的应用,并对杨树抗病育种工作进行了展望。     

Single gene circles in dinoflagellate chloroplast genomes.

Photosynthetic dinoflagellates are important aquatic primary producers and notorious causes of toxic 'red tides'. Typical dinoflagellate chloroplasts differ from all other plastids in having a combination of three envelope membranes and peridinin-chlorophyll a/c light-harvesting pigments. Despite evidence of a dinoflagellete satellite DNA containing chloroplast genes, previous attempts to obtain chloroplast gene sequences have been uniformly unsuccessful. Here we show that the dinoflagellate chloroplast DNA genome structure is unique. Complete sequences of chloroplast ribosomal RNA genes and seven chloroplast protein genes from the dinoflagellate Heterocapsa triquetra reveal that each is located alone on a separate minicircular chromosome: 'one gene-one circle'. The genes are the most divergent known from chloroplast genomes. Each circle has an unusual tripartite non-coding region (putative replicon origin), which is highly conserved among the nine circles through extensive gene conversion, but is very divergent between species. Several other dinoflagellate species have minicircular chloroplast genes, indicating that this type of genomic organization may have evolved in ancestral peridinean dinoflagellates. Phylogenetic analysis indicates that dinoflagellate chloroplasts are related to chromistan and red algal chloroplasts and supports their origin by secondary symbiogenesis.     

杨树泛基因组构建与基因组变异分析

【目的】杨树是重要的速生用材、生态防护和碳汇造林树种,也是林木遗传研究的模式树种。开展杨树泛基因组构建与基因组变异分析,可为杨树精准育种和林木泛基因组研究提供理论先导。【方法】 以公开发表的高质量杨树基因组序列为基础,分析不同类型的序列变异,总结变异特征,并构建基于基因和图形结构的杨树泛基因组。【结果】 本研究收集到8个杨属树种和3个二倍体或三倍体杨树杂交品种的基因组序列,3个杂交品种包含7个单倍型亚基因组序列,较好地代表了杨树4个组派的基因组特征。分析结果表明,杨树基因组间存在较多大的结构变异。在基于基因的泛基因组中,共线核心基因、非共线核心基因、次核心基因、非必需基因、特异基因占比分别为12.5%、34.9%、31.4%、16.5%、4.7%。其中,非必需基因在功能上具有较高的多样性。以基因组序列变异为基础构建杨树图形结构泛基因组,大幅提升2代测序数据的变异检测效果。通过泛基因组变异热点分析,鉴定出2个与物候关联的基因位点。【结论】 杨属基因组中存在大量染色体重排,进而增加了基因调控的多样性。杨树组/派间的基因组结构变异可能与物候适应存在关联。基于林木基因组序列的复杂性,在林木泛基因组研究中应注意基因组整合范围与研究目标相匹配,结合基因泛基因组和图形结构泛基因组结果,综合解析林木的遗传变异规律和物种演化特征。     

Gene transfer to the nucleus and the evolution of chloroplasts

Photosynthetic eukaryotes, particularly unicellular forms, possess a fossil record that is either wrought with gaps or difficult to interpret, or both. Attempts to reconstruct their evolution have focused on plastid phylogeny, but were limited by the amount and type of phylogenetic information contained within single genes. Among the 210 different protein-coding genes contained in the completely sequenced chloroplast genomes from a glaucocystophyte, a rhodophyte, a diatom, a euglenophyte and five land plants, we have now identified the set of 45 common to each and to a cyanobacterial outgroup genome. Phylogenetic inference with an alignment of 11,039 amino-acid positions per genome indicates that this information is sufficient--but just rarely so--to identify the rooted nine-taxon topology. We mapped the process of gene loss from chloroplast genomes across the inferred tree and found that, surprisingly, independent parallel gene losses in multiple lineages outnumber phylogenetically unique losses by more that 4:1. We identified homologues of 44 different plastid-encoded proteins as functional nuclear genes of chloroplast origin, providing evidence for endosymbiotic gene transfer to the nucleus in plants.