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蕨类植物叶绿体基因ycf94的分子进化研究.pdf
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1、热带亚热带植物学报 2023,31(4):541 548 Journal of Tropical and Subtropical Botany 收稿日期收稿日期:2023-02-18 接受日期接受日期:2023-03-13 基金项目基金项目:国家自然科学基金项目(31770587)资助 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.31770587).作者简介:李子菲(1998 年生),女,硕士研究生,研究方向为植物系统发育与分子进化。E-mail:*通讯作者 Corre
2、sponding author.E-mail:; 蕨类植物叶绿体基因蕨类植物叶绿体基因 ycf94 的分子进化研究的分子进化研究 李子菲1,苏应娟2,3*,王艇1*(1.华南农业大学生命科学学院,广州 510642;2.中山大学生命科学学院,广州 510275;3.中山大学深圳研究院,深圳 518057)摘要:摘要:ycf94 基因是近年来在叶绿体基因组中新发现的一个基因,在蕨类植物中表现高度保守。该研究共选取 94 种蕨类植物,在系统发育背景下,对 ycf94 基因的结构特征、密码子偏好性、进化速率和适应性进化进行分析。结果表明,ycf94 基因的密码子偏好性较弱,偏好使用以 A/U 结尾的
3、密码子,且不同物种间的偏好性存在一定差异。密码子偏好性的形成主要受到突变压的影响,同时也存在其他因素的作用;基于凤尾蕨科和其他蕨类中 ycf94 基因的结构特征存在区别,对两者的分子替换速率进行了比较,表明颠换率、非同义替换率和 值间存在显著差异;仅检测出 1 个正选择位点 74A,强烈的负选择作用表明 ycf94 基因的结构和功能基本趋于稳定。这为蕨类系统发育分析提供了新依据,并提供了解析 ycf94 基因功能的线索。关键词:关键词:蕨类植物;ycf94;密码子偏好性;进化速率;适应性进化 doi:10.11926/jtsb.4780 Molecular Evolution of Chlor
4、oplast Gene ycf94 in Ferns LI Zifei1,SU Yingjuan2,3*,WANG Ting1*(1.College of Life Sciences,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.School of Life Sciences,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275,China;3.Research Institute of Sun Yat-Sen University in Shenzhen,Shenzhen 518057,Gu
5、angdong,China)Abstract:As a newly discovered chloroplast gene in recent years,ycf94 gene,with length of about 200 bp,is conserved among ferns.However,the origin and function of ycf94 require further investigation.The study was performed on the ycf94 gene sequence of 94 species of ferns,in the phylog
6、enetic background,analyzing codon usage bias,evolution rate and selection pressure.Results showed that the codon bias was weak in ycf94 gene which the 3rd position of codon prefers A/U,variously in closely species.The codon bias was mainly produced by gene mutation.In addition,based on the differenc
7、es in the structural characteristics of ycf94 between Pteridaceae and other ferns,their evolution rate was compared,suggesting that there were significant difference in transversion rate,nonsynonymous substitution rate and omega.Besides,only one position selection site 74A was detected.The strong ne
8、gative selection pressure indicated that the function and structure of ycf94 were mostly stabilized.The results provide a new clue of phylogenetic analysis in ferns and functional studies of ycf94 gene.Key words:Fern;ycf94 gene;Codon usage bias;Evolutionary rate;Adaptive evolution 叶绿体基因组具有长度短、拷贝数高、保
9、守性强的特点,长期被广泛用于植物系统发育和分子进化研究1。叶绿体基因组作为双链环状闭合 DNA,大小一般为 110116 kb,具有典型的四区结构,包含了大单拷贝区(large single copy,LSC)、小单拷贝区(small single copy,SSC)和2 个反向重复区(inverted repeats,IR)。目前普遍认为陆地植物叶绿体基因组的基因组成是大致相似的,大约有 80 个蛋白编码基因(CDS,protein-coding gene)、30 个 tRNA 基因和4 个 rRNA 基因2。其中也包含一些保守的开放阅读542 热带亚热带植物学报 第 31 卷 框(open
10、 reading frame,ORF),其所编码的蛋白相关功能仍在摸索中,通常称为假定叶绿体开放阅读框(hypothetical chloroplast open reading frame)基因(ycf)。蕨类作为最早脱离水体适应陆生环境、进化出维管组织的植物类群,在整个陆地植物的起源和演化历史研究中有着重要的地位3。蕨类植物现存约有 12 000 种,它在形态上具有丰富的多样性,广泛分布在热带和亚热带地区。同时,蕨类的质体基因组有独特的结构,相比于与种子植物的质体基因组结构基本一致的蕨类祖先类型“莲座蕨型”,“铁线蕨型”分别在跨 IR/LSC 区和 LSC 区中发生了约 20 和3 kb的
11、两次重叠倒位,而“铁线蕨型”占据了蕨类90%的种类4。2016 年发表的 PPG I(the pteridophyte phylogeny group)系统是一个基本建立在分子系统发育研究之上的现代蕨类植物分类系统5,其中描述的分类较为全面且被接受。目前,有关蕨类叶绿体基因组和分类系统等各类信息仍在不断完善中。Song 等6于 2018 年在薄囊蕨类中发现 1 个新的假定 ORF,并将其命名为 ycf94。研究表明,ycf94位于 matK 和 rps16 之间,在薄囊蕨类中表现高度保守。同时在蕨类、石松类和苔藓类的质体中都发现其同源性,而种子植物中不存在该序列。在陆地植物中质体的进化历史是动
12、态的,其基因组存在基因丢失的现象,基因会从质体基因组转移到核基因组7。ycf94 或许存在于陆生植物的祖先质体中,随后在种子植物中发生基因丢失。根据 ycf94 序列的保守程度,以及其编码跨膜蛋白和具有多个 RNA 编辑位点的特征6,可以表明ycf94 是一个具有功能意义的蛋白编码基因8,但其起源和功能目前尚不明确。本研究以 94 种蕨类植物的 ycf94 基因为研究对象,通过分析 ycf94 的碱基组成和密码子偏好性,并在系统发育背景下,分析其进化速率和选择压力,来探究 ycf94 的基因结构特征和在蕨类植物中的进化样式,挖掘 ycf94 在叶绿体基因组系统发育关系分析中的可用性,为蕨类植物
13、分类提供新的依据,为进一步研究 ycf94 的起源和功能等提供基础信息。1 材料和方法 1.1 提取序列数据提取序列数据 根据Adiantum shastense的 ycf94 基因序列作为参考序列,用 NCBI-BLAST 在线比对(E value0.08 且 RSCU1的作为最优密码子。1.4 分子进化速率分析分子进化速率分析 采用 HyPhy v2.2.4 软件13基于核苷酸模型HKY85 和密码子模型 MG94HKY85_34 计算各物种分支 ycf94 基因的转换率(transition rate,trst)、颠换率(transversion rate,trsv)、转换率和颠换率的比
14、值(trst/trsv)、非同义替换率(nonsynonymous substi-tution rate,dN)、同义替换率(synonymous substitu-tion rate,dS),以及非同义替换速率和同义替换速率的比值(=dN/dS)。通过软件 SPSS 24 使用 Mann-Whitney 秩和检验对数据进行相关性分析。1.5 适应性进化分析适应性进化分析 使用 PAML v4.9 软件14中的 codeml 程序检测ycf94 基因中是否存在氨基酸正选择位点。采用检测谱系之间选择压力的 3 种模型:分支模型(Branch model)、位点模型(Site model)和分支-
15、位点模型(Branch-site model)。分支模型中,单比率模型(one-ratio,M0)假定所有分支的 值相同;自由比率模型(free-ratio,F)假定所有分支的 值均不相同;二比率模型(two-ratio,M2)假定前景支与背景支的 值不相同。通过似然比检验进行模型比较,M0 和 F 检验不同分支间 值的差异性,M0 和M2 检验前景支和背景支间 值的差异性。位点模型假定不同位点的 值不同,其中存在4 对比较模型:M0(one-ratio)和 M3(discrete)检测位点间 值是否一致;M1a(neutral)和 M2a(selection),M7(beta)和 M8(be
16、ta&),M8 和 M8a(beta&=1)用于检测是否存在正选择位点。分支-位点模型假定了分支间和位点间 值都存在差异。对模型 Model A 和零假设进行比较,检测前景支中的部分位点是否受到正选择作用。2 结果和分析 2.1 ycf94 的基因特征分析的基因特征分析 取样的 94 种蕨类植物 ycf94 基因长度为 222 156 bp。其中可以大致分为 2 种类型:以起始密码子为T(ACG)开头发生C to U RNA编辑的序列共28条,其中包括全部的凤尾蕨科 27 条,ycf94 大多为 219 bp(共20 条);起始密码子为M(AUG)的序列共66 条,包含除凤尾蕨科外的 18 科
17、,ycf94 大多为216 bp(共50条),其中 6 条合囊蕨目的大小均为 177 bp。2.2 94 种蕨类植物的系统发育树种蕨类植物的系统发育树 利用 matK+rbcL 串联基因构建 NJ、ML 和 BI3种系统发育树并对其进行比较,用蕨类分类系统PPGI 进行修正。在ML 和BI 中水龙骨亚目和铁角蕨亚目为姐妹群且都是单系,与 PPGI 系统一致;而 NJ 中水龙骨亚目属于多系。BI 支持铁角蕨科和肠蕨科为姐妹群,ML 支持铁角蕨科位于铁角蕨亚目的基部位置。BI与 PPGI 系统最为接近,所以最后以 BI 为标准。构建出的系统发育树(附录2)主要为后续研究分析提供系统发育背景。2.3
18、 密码子偏好性分析密码子偏好性分析 2.3.1 密码子碱基组成分析 附录 3 为 94 种蕨类 ycf94 基因的密码子碱基组成,其中 GC 含量为 23.73%47.75%,GC1、GC2和 GC3 分别为 19.72%47.22%、23.94%47.22%和20.34%56.94%,说明密码子总体的碱基组成偏向A/U。ENC 值为 6134.89,在近缘物种中 ycf94 基因的密码子偏好性存在差异。其中有 19 条序列的ENC=61 即每个密码子都被均衡使用。ENC 值以 35作为判断密码子偏好性强弱的标准15,大部分的ycf94 密码子偏好性较弱。对ycf94基因的密码子相关参数进行热
19、图统计,大多数的 GC3 要高于 GC1、GC2 和 GC 值;合囊蕨目的 GC 各项数值要低于其他蕨类,凤尾蕨科的GC1 和 GC2 总体上也低于其他蕨类(图 1)。由表 1 可见,GC1、GC2、GC3 和 GC 相互间均为极显著相关,表明 ycf94 基因密码子三位的碱基组成相似;而ENC值与各项GC值相关性不显著,碱基组成对 ycf94 密码子偏好性的影响较小。表 1 ycf94 密码子各参数的相关性分析 Table 1 Correlation analysis between the parameters of ycf94 gene GC1 GC2 GC3 GC ENCGC1 GC2
20、 0.589*GC3 0.585*0.720*GC 0.796*0.889*0.913*ENC 0.047 0.041 0.062 0.089*:P0.05;*:P0.01 544 热带亚热带植物学报 第 31 卷 图 1 ycf94 基因的密码子相关参数热图统计 Fig.1 Heat map of correlation parameter of ycf94 codon 2.3.2 GC3-GC12 分析 由图 2 可见,大部分散点位于对角线之下,除天星蕨(Christensenia aesculifolia)外,大部分物种的ycf94 基因的 GC3 值大于 GC12。相关性分析结果表明,
21、双尾检验 P=0.00(1)26个,高表达密码子(RSCU0.08)24 个,而同时满足这两个条件的最优密码子有 14 个:UUU、GUU、GUA、GUG、UCU、CCC、ACC、GCC、UAU、AAA、GAU、AGG、GGC、GGA。其中 8 个以 A/U 结尾,6 个以 G/C 结尾。2.4 进化速率分析进化速率分析 对凤尾蕨科和其余蕨类的替换速率进行差异显著性分析,数据表明(附录 4),凤尾蕨科除了同义替换率外的进化速率均值都大于其他蕨类(图 4),秩 表 2 ycf94 基因的密码子 RSCU 统计以及最优密码子 Table 2 Relative synonymous codon us
22、age of genes and the optimal codons in ycf94 gene 氨基酸 Amino acid 密码子 Codon RSCULowRSCUHigh RSCURSCU 氨基酸 Amino acid 密码子CodonRSCULow RSCUHigh RSCURSCU苯丙氨酸 Phe UUU*0.99 1.52 0.53*1.37*酪氨酸 Tyr UAU*1.18 1.42 0.24*1.10*UUC 1.01 0.48 0.53 0.63 UAC 0.82 0.58 0.24 0.90 亮氨酸 Leu UUA 1.28 1.20 0.08 1.36*组氨酸 His
23、 CAU 2.00 0.67 1.33 1.54*UUG 0.88 1.50 0.62*0.83 CAC 0.00 1.33 1.33*0.46 CUU 1.76 1.80 0.04 1.78*谷氨酰胺 Gln CAA 0.40 0.67 0.27*0.39 CUC 1.12 0.90 0.22 1.02*CAG 1.60 1.33 0.27 1.61*CUA 0.88 0.60 0.28 0.75 天冬酰胺 AsnAAU1.67 1.67 0.00 1.74*CUG 0.08 0.00 0.08 0.25 AAC 0.33 0.33 0.00 0.26 异亮氨酸 Ile AUU 1.17 1
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