四种高山环境共生的菊科植物叶绿体基因组结构特征与进化适应性研究

《BMC Genomics》：Comparative chloroplast genomics of Ajania sericea and sympatric Asteraceae species identifies shared candidate molecular features associated with alpine adaptation

　　

摘要

背景

Ajania sericea 是云南大理地区的特有物种，目前是全球已知的该属植物分布最南端的成员。它与 Aster brachytrichus、Anaphalis pannosa 和 Leontopodium dedekensii 共生于云南西北部的高山栖息地中，这些地区的植物面临强烈的紫外线辐射、低温、强风和干旱等恶劣环境。为了探讨来自不同谱系的共生生长的菊科植物是否具有与高山环境适应相关的叶绿体基因组特征，我们对这四种植物的叶绿体基因组进行了测序、组装和比较。

结果

所有四种叶绿体基因组都呈现出典型的四部分结构，其中红外（IR）区域的GC含量最高（42.99%-43.07%）。共注释了142-145个基因拷贝。 Ana. pannosa 和 L. dedekensii 缺乏 ycf15 基因，而 Ana. pannosa 还缺少 trnT-GGU 基因。密码子使用偏向性总体较弱，偏好以A/T结尾的密码子；中性性分析和ENCE-plot分析表明，除了突变压力外，可能还有其他因素（包括自然选择）也在起作用。研究发现五个高变异区域（petN、trnY-GUA、pafI-trnS-GGA、ndhC-trnV-UAC 和 rpl32）可能是菊科植物的潜在DNA条形码区域。基于最大似然法和贝叶斯推断的系统发育分析得出了一致的结果，显示 Aj. sericea 与 Aj. nematoloba 的亲缘关系最为密切。Ka/Ks分析表明，大多数叶绿体蛋白编码基因处于纯化选择状态，而只有少数基因（如 rpl14、rpl33 和 rps2）显示出较高的Ka/Ks值或选择信号。通过对序列变异、选择信号和功能注释的综合分析发现，rpl14、rpl33、petN、ndhC 和 ndhF 主要与叶绿体翻译、光合作用电子传递和氧化还原调节相关。此外，在不同海拔采集的三个 Aj. sericea 样本的叶绿体基因组高度相似，未检测到明显的与环境海拔相关的叶绿体差异。

结论

本研究显示，四种共生生长的菊科植物的叶绿体基因组在整体结构上保持高度保守，但在基因丢失、红外区域边界变化、重复序列组成和局部高变异区域方面仍存在一定差异。这些特征为菊科植物种间差异研究及潜在分子标记的开发提供了有用的参考。在本次研究考察的海拔范围内，三个 Aj. sericea 样本之间未检测到明显与海拔相关的叶绿体差异。总体而言，本研究发现的候选基因（包括 rpl14、rpl33、petN、ndhC 和 ndhF）表明，在高山环境中共生的菊科植物可能存在共同的分子响应特征，并为理解它们的环境适应性和进化分歧提供了新的叶绿体基因组证据。

背景

Ajania sericea 是云南大理地区的特有物种，目前是全球已知的该属植物分布最南端的成员。它与 Aster brachytrichus、Anaphalis pannosa 和 Leontopodium dedekensii 共生于云南西北部的高山栖息地中，这些地区的植物面临强烈的紫外线辐射、低温、强风和干旱等恶劣环境。为了探讨来自不同谱系的共生生长的菊科植物是否具有与高山环境适应相关的叶绿体基因组特征，我们对这四种植物的叶绿体基因组进行了测序、组装和比较。

结果

所有四种叶绿体基因组都呈现出典型的四部分结构，其中红外（IR）区域的GC含量最高（42.99%-43.07%）。共注释了142-145个基因拷贝。 Ana. pannosa 和 L. dedekensii 缺乏 ycf15 基因，而 Ana. pannosa 还缺少 trnT-GGU 基因。密码子使用偏向性总体较弱，偏好以A/T结尾的密码子；中性性分析和ENCE-plot分析表明，除了突变压力外，可能还有其他因素（包括自然选择）也在起作用。研究发现五个高变异区域（petN、trnY-GUA、pafI-trnS-GGA、ndhC-trnV-UAC 和 rpl32）可能是菊科植物的潜在DNA条形码区域。基于最大似然法和贝叶斯推断的系统发育分析得出了一致的结果，显示 Aj. sericea 与 Aj. nematoloba 的亲缘关系最为密切。Ka/Ks分析表明，大多数叶绿体蛋白编码基因处于纯化选择状态，而只有少数基因（如 rpl14、rpl33 和 rps2）显示出较高的Ka/Ks值或选择信号。通过对序列变异、选择信号和功能注释的综合分析发现，rpl14、rpl33、petN、ndhC 和 ndhF 主要与叶绿体翻译、光合作用电子传递和氧化还原调节相关。此外，在不同海拔采集的三个 Aj. sericea 样本的叶绿体基因组高度相似，未检测到明显的与环境海拔相关的叶绿体差异。

结论

本研究显示，四种共生生长的菊科植物的叶绿体基因组在整体结构上保持高度保守，但在基因丢失、红外区域边界变化、重复序列组成和局部高变异区域方面仍存在一定差异。这些特征为菊科植物种间差异研究及潜在分子标记的开发提供了有用的参考。在本次研究考察的海拔范围内，三个 Aj. sericea 样本之间未检测到明显与海拔相关的叶绿体差异。总体而言，本研究发现的候选基因（包括 rpl14、rpl33、petN、ndhC 和 ndhF）表明，在高山环境中共生的菊科植物可能存在共同的分子响应特征，并为理解它们的环境适应性和进化分歧提供了新的叶绿体基因组证据。