濒危植物短叶黄杉叶绿体全基因组特征及松科植物系统发育分析

摘要

为确定短叶黄杉(Pseudotsuga brevifolia)叶绿体基因组结构大小、特征以及基因组成情况,明确其与同科物种叶绿体基因组差异性,并揭示松科植物潜在的变异序列,探究系统发育规律。本研究以二代测序为基础,对测序结果进行组装、注释,得到短叶黄杉叶绿体全基因组,分析了其基本结构、基因组成、SSR位点等数据,并与其他松科植物叶绿体基因组进行比对分析、IR扩张收缩分析与系统发育分析。结果表明:短叶黄杉叶绿体基因组全长122348 bp,呈典型的四分体结构,LSC区长度为66627 bp,SSC区长54863 bp,IR区长度仅为858 bp,一共注释到114个基因,其中有73个蛋白编码基因,37个tRNA基因和4个rRNA基因,5个基因具有2~3个拷贝且都为tRNA基因,且含有内含子的基因共有7个。SSR位点中,单核苷酸重复共有15个,占所有SSR的52%,2~5核苷酸重复分别为6、4、3和1个,主要为AT类型重复。叶绿体基因组序列比对发现,短叶黄杉与黄杉的相似度最高,多数物种在IR区、tRNA和rRNA基因区域的一致度相对较高,最为保守;包括短叶黄杉在内的其他9个物种中,非编码区的遗传变异比编码区更为普遍。IR边界扩张与收缩分析结果表明:9个物种LSC/IRb边界处均为rpl23基因,IR区均发生了明显的收缩,因此基因分布较少且单一。云杉属的两种植物IRb区没有基因分布,云南松IRb区分布有两个基因,其IR区较其他物种发生了扩张。短叶黄杉IR区内分布的基因为trnM,其余物种IR区内的基因均为trnI,且云杉属两个物种的IR/SC边界与松科其他物种差异较大。构建叶绿体全基因组NJ系统发育树显示,松科10个属16个物种主要被分为3大类,欧洲落叶松(Larix decidua)与黄杉属亲缘关系最近。本研究首次报道了短叶黄杉的叶绿体基因组结构与特征,阐明了松科不同属物种间叶绿体基因组的结构差异,明确了短叶黄杉的分类位置,为濒危植物短叶黄杉的遗传育种、分类保护以及松科植物的物种鉴定、种间进化研究和系统发育重建提供了数据基础与参考依据。