辣椒叶绿体基因组密码子使用偏好性比较研究及其进化与表达意义分析

《South African Journal of Botany》：Comparative study on codon usage patterns across chloroplast genomes of Capsicum

本研究系统分析了13种辣椒叶绿体基因组的密码子使用偏好性（CUB），揭示其偏好A/U结尾密码子的特征，并通过中性绘图、ENC-plot和PR2偏倚分析证实自然选择是主要影响因素。研究发现29个高频密码子和8-11个最优密码子，为辣椒叶绿体基因组进化机制解析和外源基因表达优化提供了重要理论依据。

　　

序列选择与分析

我们从GenBank获取了13个不同辣椒物种的叶绿体基因组序列。使用CPStools软件筛选编码序列（CDS）以确保数据准确性。合格的CDS必须起始于ATG密码子，以TGA、TAG或TAA终止，长度超过300个碱基对且不含内部终止密码子。使用CodonW 1.4.2和EMBOSS进行密码子使用相关指标的计算。

密码子组成特征

对13个辣椒物种（11个种和2个变种）叶绿体基因组的蛋白质编码基因进行分析，每个物种包含78-79个蛋白编码基因。质控后每个基因组包含51-52个基因。这些基因组的平均GC含量在38.00%至38.19%之间轻微波动。GC1、GC2和GC3密码子位置的GC含量值分别为46.02%-46.32%、38.09%-38.29%和29.78%-29.99%，均低于50%，显示出明显的A/U结尾密码子偏好。有效密码子数（ENc）和密码子适应指数（CAI）值表明整体密码子使用偏性较弱。

讨论

密码子使用偏性（CUB）反映了基因组或基因簇中对编码相同氨基酸的同义密码子的选择性使用现象。研究表明密码子使用模式深刻影响基因表达，高表达水平与特定密码子偏好呈现显著相关性。这种偏性对于研究植物进化过程和分子育种至关重要。植物基因组中的GC含量与密码子使用偏性存在密切联系，而叶绿体基因组的密码子偏好模式往往受到突变压力和自然选择的共同影响。

结论

本研究通过对13种辣椒物种叶绿体基因组编码基因的系统分析，揭示了影响密码子使用偏性的关键因素。我们的研究结果强调了自然选择对密码子偏好的决定性影响，说明了密码子优化对实现高效基因表达的重要性。这些发现不仅对理解辣椒基因组的进化动力学具有重要价值，更为基因工程和资源开发提供了实践指导。