灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子使用偏好性分析.pdf
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1、江西农业学报 2023,35(06):101107ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.06.015灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子使用偏好性分析付兴飞,李亚麒,程金焕,李贵平,李亚男,黄家雄,杨 旸,胡发广*(云南省农业科学院 热带亚热带经济作物研究所,云南 保山 678000)摘 要:以筛选的16条灭字脊虎天牛(Xylotrechus quadripes)线粒体的CDS蛋白编码序列为研究对象,通过Codon W和CUSP在线软件对灭字脊虎天牛密码子进行组成分析。结果表明:灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子不同碱基位置的GC含量不同,
2、排序为GC3(47.14%)GC1(46.85%)GC2(33.98%),密码子偏好使用以碱基A/T结尾;中绘图分析显示GC12与GC3间无显著相关性(R=0.229,P=0.393),密码子第3位碱基可能与前2位碱基的构成不同;ENC-plot分析显示,16个基因离标准曲线一定距离,ENC的实际值与预测值有差异,密码子偏好性更多受到自然选择的影响;PR2-plot绘图分析,密码子第3位碱基使用具有偏好性,碱基使用频率表现为T高于A,C高于G;筛选出最优密码子17个,多以A/U结尾。灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子偏好性较弱,对A/U碱基结尾的密码子具有偏好性,偏好性使用受突变动力、自然选择及基
3、因表达等因素共同影响,但自然选择的影响更显著。关键词:灭字脊虎天牛;线粒体基因组;密码子偏好性;自然选择 中图分类号:S435.712 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)06-0101-07Analysis of Codon Usage Bias of Mitochondrial Genome in Xylotrechus quadripes FUXing-fei,LIYa-qi,CHENGJin-huan,LIGui-ping,LIYa-nan,HUANGJia-xiong,YANGYang,HUFa-guang*(InstituteofTropicalandSubtr
4、opicalCashCrops,YunnanAcademyofAgriculturalSciences,Baoshan678000,China)Abstract:The16selectedCDScodingproteinsequencesofmitochondrialgenomeinXylotrechus quadripeswereusedastheresearchobject,andcodonpreferencewasanalyzedbyCodonWandCUSPonlinesoftware.TheresultsshowedthattheGCcontentofmitochondrialgen
5、omecodonofX.quadripeswasdifferentatdifferentbaselocations.TheorderwasGC3(47.14%)GC1(46.85%)GC2(33.98%),indicatingthattheX.quadripescodonusagebiasendedwithA/T.NeutralplotanalysisshowedthattherewasnosignificantcorrelationbetweenGC12andGC3(R=0.229,P=0.393).Thethirdbaseofthecodonmayhaveadifferentcomposi
6、tionfromthefirsttwo.IntheENC-plotanalysis,16geneswereatacertaindistancefromthestandardcurve,manifestingthattherewasacertaindifferencebetweentheactualvalueofENCandtheexpectedvalueofENC,indicatingthatthecodonbiaswasmoreinfluencedbynaturalselection.Theuseofthethirdcodonbasewasbiased,andusagefrequencyof
7、TwashigherthanthatofA,andCwashigherthanG.17codonswereselectedastheoptimalcodons,mostofwhichendedwithA/U.ThemitochondrialgenomecodonofX.quadripesisweak,andpreferstousetheA/Uendingcodon.Multiplefactorsassociatedwiththecodonusagebias,suchasnaturalselection,mutationandgeneexpressionlevel,amongwhichnatur
8、alselectionisthemajorfactor.Key words:Xylotrechus quadripes;Mitochondrialgenome;Codonusagebias;Naturalselection全球绝大多数生物20类标准氨基酸仅有64个密码子编码,除蛋氨酸Met和色氨酸Trp外,每种氨基酸对应26个密码子,这种编码同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子1-2,而同义密码子间使用频率不同的现象,被称为密码子偏好性3。在自然界中,密码子偏好性非常普遍,且受多种因素影响,其中突变压力和自然选择被认为是密码子偏好性形成的关键因素,但在不同物种间有所差异,如在籽粒苋(Amar
9、anthus hypochondriacus)中突变压力是主导因素,而在杧果(Mangifera indica)中自然选择是主导因子4-5。密码子偏好性研究在揭示物种进化关系、提高外源基因表达、基因组特收稿日期:2023-03-02基金项目:云南省重大科技专项计划“咖啡产业提质增效关键技术研发与示范”(202202AE090002)。作者简介:付兴飞(1992),男,助理研究员,硕士,主要从事植物保护研究。*通信作者:胡发广。江 西 农 业 学 报35 卷102征以及生态适应性等方面具有重要意义。昆虫线粒体基因是独立于细胞核染色体外的一组基因组,大小在1518kp,是一种外环为重链、内环为轻链
10、的环形双链DNA结构,其线粒体基因组含13个保守蛋白质编码基因PGGs、22个tRNA、2个rRNA基因及一段控制区6。由于线粒体基因组通过母系遗传,其具有进化速率快、基因排序保守等特点,在系统发育和种群遗传等方面的应用也逐渐广泛7。何积翠等8在线粒体基因的使用模式上开展了大量研究,有效揭示了形成密码子偏好性的原因,也为进一步了解系统发育和种群进化等提供了理论依据,但研究对象主要集中于农作物及水生生物。在昆虫方面,赵婉清等9通过对猎蝽科11亚科30属代表物种的线粒体基因组同义密码子相对使用频率RSCU进行对比,发现以A/U结尾的密码子的使用频率高于G/C结尾的,与昆虫线粒体基因组的高AT特性保
11、持一致。灭字脊虎天牛(Xylotrechus quadripes)又称咖啡灭字虎天牛,隶属于鞘翅目(Coleoptera)天牛科(Cermbycidae),是危害亚洲咖啡产区小粒咖啡的重大型蛀干害虫,因其以幼虫在2年生及以上咖啡主干内蛀食为害,导致咖啡植株受害部以上生长不良或死亡,造成咖啡减产,对海拔1200m以下咖啡园构成了巨大的威胁10。线粒体作为主要ATP生产中心,在发育和代谢中具有重要作用,并且由于其母系遗传,还可以为具有高表达水平和生物遏制的转基因开辟策略2。然而,关于灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子偏好性的分析至今尚未开展。因此,本研究以灭字脊虎天牛线粒体基因组序列为研究对象,利用C
12、odonW1.4.2、Excel2020、Origin2022及PASWStatistics20.0等软件探究灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子偏好性,揭示影响密码子使用模式及其偏好性的形成因素,以期为了解灭字脊虎天牛线粒体的基因组特性和进化方向提供科学依据。1 材料与方法1.1 数据来源在NCBI数据库中以灭字脊虎天牛的拉丁名(Xylotrechus quadripes)为关键词进行检索,下载相关的线粒体基因组序列及其编码区(CodingDNAsequence,CDS),下载的基因组序列全长为24859bp,共选取16条长度大于300bp,且以ATG为开始,TAG、TAA、TGA结尾,内部不存在
13、终止密码子的非重复基因序列用于数据分析11。1.2 分析方法1.2.1 密码子组成分析 使用CodonW1.4.2软件对16条非重复基因序列的有效密码子使用个数(Effectivenumberofcodon,ENC)、同义密码子使用度(RelativesynonymouscodonUsage,RSCU)、最优密码子频率(Frequencyofoptimalcodon,Fop)、密码子适应指数(Codonadaptionindex,CAI)、第3位密码子各碱基含量(T3s、A3s、G3s、C3s)、总GC含量以及密码子第13位上碱基GC含量(GC、GC1、GC2、GC3)及同义密码子第3位碱基的
14、GC含量(GC3s),GC12(GC1、GC2的 平 均 值)、芳 香 族 氨 基 酸 比 例(Aromo)、基因编码序列长度(L)进行计算,并使用PASWStatistics20.0软件对灭字脊虎天牛线粒体基因组偏好性相关参数进行相关性分析,揭示彼此之间的关系。1.2.2 中性绘图分析 以GC3为X轴,CC12为Y轴绘制16条非重复基因序列的二维散点图,根据散点在对角线上的分布情况,初步判断密码子偏好性的形成因素。当散点沿对角线分布,回归系数接近1时,表明两者的差异基本一致,密码子不同位置上的碱基构成无差异,该基因主要受到突变动力的影响,受自然选择的影响较小;若散点没有沿对角线分布,回归系数
15、接近0,则表明两者的差异较大,该基因受到自然选择的影响12。1.2.3 ENC-plot绘图分析 ENC-plot绘图分析可以辨析密码子偏好性,ENC值(2061)越接近20,密码子受突变动力的影响越大;越接近61,则受自然选择的影响越大13。以灭字脊虎天牛线粒体基因组各CDS序列中GC3为X轴,有效密码子数为Y轴绘制散点图,并根据式(1)计算ENC值,在散点图中形成ENC值的期望线。ENC=2+GC3+29GC32+(1-GC3)2 (1)1.2.4 PR2-plot绘图分析 PR2-plot绘图分析可以揭示密码子第3位上4种碱基(A、T、G、C)间的组成偏差对密码子偏好性是否产生影响。以G
16、3/(G3+C3)和A3/(A3+T3)分别为X轴和Y轴进行绘图,图的中心点表示碱基A=T、G=C(密码子无偏向性和突变),从中心点发出的矢量表示该碱基偏移的程度和方向14。1.2.5 最优密码子分析 以ENC为标准,对所有参试基因按降序进行排序,分别选取两级10%的基因6 期付兴飞等:灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子使用偏好性分析103建立高低偏好性库,并计算RSCU(高低两组相减的RSCU值)。以RSCU0.08的密码子为高表达密码子,同时为高频和高表达的为最优密码子5。2 结果与分析2.1 密码子碱基组成由表1可知:灭字脊虎天牛线粒体基因组中密码子上的GC含量存在差异,全部CDS密码子GC
17、含量为38.18%47.56%,平均含量为42.66%;平均含量排序为GC3GC1GC2,不同位置上GC含量不均衡;密码子第3位核苷酸碱基含量排序为A3sT3sG3sC3s;ENC值的范围在50.0857.26,平均值为54.51,接近61;CAI值范围在0.1750.216,平均值为0.190;Fop在0.3650.468,平均值为0.400,均接近0。综上表明,灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子的偏好性较弱,倾向于以A/T结尾的密码子。表1 灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子偏好性相关参数基因GC/%GC1/%GC2/%GC3/%A3s/%T3s/%C3s/%G3s/%GC3s/%ENCCAIFo
18、pUGT138.5844.6630.6840.3941.3536.1725.7724.390.38251.110.1750.378UGT247.5648.3937.5756.7430.6525.5733.0337.760.54753.960.1890.433UGT340.1747.5131.6141.3840.8935.8423.9727.860.38951.040.1810.365UGT444.2350.1034.0348.5735.8331.3829.5130.260.46355.130.1770.379UGT538.1842.6332.4239.4940.6239.2323.0025.9
19、60.36454.250.1840.377UGT642.6548.5435.1544.2739.5332.1327.3425.840.41856.690.2150.428UGT739.5046.5632.0639.8938.9539.4328.0320.650.37550.080.1880.402UGT843.7245.5835.3850.1933.2431.929.5232.560.47856.440.1830.399UGT943.8945.9536.8748.8434.3831.930.7128.490.46156.330.1960.419UGT1040.8748.8533.5240.23
20、39.4839.0222.6826.050.37356.480.1930.388UGT1140.9843.9332.7646.2432.637.4128.2430.090.44152.130.1850.394UGT1242.5947.3835.7344.6637.8834.9129.0125.380.42257.260.1960.409UGT1342.9150.2031.5047.0536.3133.2530.7728.750.44956.120.1990.409UGT1446.8246.8235.4558.1928.1226.1238.8233.330.56455.630.2160.468U
21、GT1545.7047.5734.9554.5628.7730.9234.0634.230.52453.620.2000.409UGT1644.1444.8533.9853.5929.9531.0131.0138.070.51755.920.2050.398平均值42.6646.8533.9847.1435.5333.5129.0929.350.45054.510.1900.400由表2可知,GC与GC2、GC3呈极显著正相关,GC2与GC3呈极显著正相关,但GC2、GC3与GC1无显著相关关系,这表明密码子的第2、3位碱基组成较为相似,与第1位碱基的组成差异较大,存在明显位置效应;ENC与G
22、C2、CAI与GC12均呈极显著正相关,但ENC、CAI与GC1、GC3无明显的相关关系,这表明第2位碱基对密码子偏好性影响更显著;密码子适应指数CAI与GC、G3s、ENC、Fop呈显著正相关,Fop与GC、GC2、GC3、C3s、CAI、GC12呈显著正相关,与A3s和T3s呈显著负相关,这表明基因的表达水平和密码子使用偏好性程度均会受到核苷酸组成的影响。表2 灭字脊虎天牛线粒体基因组密码子偏好性参数相关分析项目GCGC1GC2GC3A3sT3sC3sG3sGC3sENCCAIFopLengthAromoGC10.4301GC20.780*0.1801GC30.950*0.1700.670
23、*1A3s-0.840*-0.005-0.580*-0.900*1T3s-0.930*-0.330-0.690*-0.920*0.740*1C3s0.860*0.2000.560*0.910*-0.870*-0.840*1G3s0.790*0.0410.520*0.890*-0.850*-0.780*0.630*1GC3s0.940*0.1700.650*1.000*-0.950*-0.920*0.910*0.880*1ENC0.4700.3000.580*0.330-0.240-0.3800.2400.2800.3201CAI0.500*0.2100.4200.460-0.430-0.460
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