【原】比较叶绿体基因组提供海草适应性进化新见解

一、摘要

海草是生活在热带和亚热带地区的海洋开花植物，所有海草物种都是从陆地单子叶植物进化而来的，是研究植物对海洋环境适应的重要材料。本研究对三个鳗草属海草的叶绿体基因组（cpGenomes）进行测序，分析、比较三者基因组结构和序列变异。使用已发表的海草（Zostera marina）叶绿体进行了系统发育分析，分析了17个海草物种和9个陆生单子叶植物的选择压力，估计8种海草的共有基因数。鳗草科物种的cpGenomes大小范围从143,877b到152,726bp，它们具有保守性，基因结构、序列具有相似性。此外，筛选到17个可变热点区域作为鳗草科物种的候选DNA条形码，有助于研究海草物种之间的系统发育关系和种间差异。本研究结果对进一步研究鳗草科植物基因组具有重要价值，并将作为未来研究海草适应海洋环境的重要资源。

二、研究背景

生物进化的总体趋势是由水生到陆生，但在进化过程中会发生一些独特的进化事件，如海草的二次入水。海草起源于陆地，但可以完全生活在海水中。受海洋和陆地环境的长期选择和作用，海草是研究复杂多样的适应机制和进化过程的重要材料，从分子或基因组水平揭示海草的进化适应机制已成为进化生物学领域的研究热点

三、实验方法

Illumina测序获得三种海草（Z. nigricaulis, Phyllospadix iwatensis, Z. japonica）的叶绿体基因组（cpGenomes）、比较基因组分析、系统发育分析、适应性进化分析

四、研究结果

1. 鳗草科植物的cpGenome特征

鳗草科物种的cpGenomes大小范围从143,877b到152,726bp，由四部分组成（2个反向重复序列（IR）、1个短单拷贝序列（SSC）及1个长单拷贝序列（ LSC）），cpGenome序列GC含量为35.46 ~ 36.18%。

表1    四种鳗草科植物叶绿体基因组特征

图1   三种鳗草科植物叶绿体基因组的基因图谱

2. 比较叶绿体分析

cpGenome的两个IRs、LSC和SSC之间有4个边界，通过比较基因组发现cpGenome的四个边界相对保守。利用mVISTA软件对鳗草科物种的cpGenome进行同源性分析，发现基因组保守，具有相似的结构和基因顺序，非编码区差异程度高于编码区。LSC和SSC区域比IR区域有更大的差异。

图2   四种鳗鱼科植物叶绿体基因组中LSC、SSC和IR区边界位置的比较

图3   四种鳗草科植物的序列鉴定

图4  四种鳗草科植物cpGenomes同源区可变性状百分比

3. 系统发育关系

构建系统发育树，发现叶绿体编码基因（PCGs）可以分为3大支，CGs的系统发育接近程度与传统分类群密切相关。

图5   系统发育树

4. 适应性进化分析

分析了17个海草物种和9个陆生单子叶植物的选择压力，Branch模型分析表明，海草叶绿体蛋白编码基因的进化速度比陆生单子叶类群快。采用M8模型和SLAC、FEL、MEME等方法对8种海草物种的59个单拷贝共有基因进行了选择密码子检测，找到9个基因具有阳性选择位点，包括两个ATP亚基基因（atpA和atpF），两个核糖体亚基基因（rps4和rpl20），两个DNA依赖性RNA聚合酶基因（rpoC1和rpoC2），以及accD、clpP、和ycf2。这些基因区域可能在海草适应不同环境的过程中发挥了关键作用。Branch模型分析表明，海草的进化速度高于陆生单子叶植物，表明海草承受了更大的环境压力。

表2   单子叶中共享蛋白编码基因的选择压力测试结果

五、研究结论

本研究利用illumina测序技术得到三种海草叶绿体基因组，通过比较基因组、进化分析探索海草适应海洋环境的进化机制。本次研究结果对进一步研究鳗草科植物基因组具有重要价值，是研究海草适应海洋环境的重要资源。

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Comparative Chloroplast Genomes of Zosteraceae Species Provide Adaptive Evolution Insights Into Seagrass