zhangliwu的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhangliwu 事麻业,究经纬,暖社稷

博文

CJ&FG: 黄麻红麻叶绿体基因组及其与锦葵科棉属等植物的系统发育关系

已有 3516 次阅读 2020-7-28 11:07 |个人分类:Research articles|系统分类:论文交流

    叶绿体基因组是一个环状双链分子,多数植物中其大小约为150kb。通常1个叶绿体中可包含1至多个这样的DNA分子。大多数植物的叶绿体DNA有一个共同的特征,即含有两个反向重复序列(inverted repeat,IR)。 它们之间由两段大小不等的非重复序列所隔开,分别为大单拷贝区(large single-copy region, LSC)和小单拷贝区(Small single-copy region, SSC)。不同植物中LSC和SSC的长度不一。 叶绿体基因组内遗传信息具有半自主性,有一套完整的复制、转录和翻译系统,但又与核基因组之间存在着十分协调的配合和有效的合作。叶绿体表现为母系遗传,其基因组被广泛应用于植物的系统发育关系分析。

    2020年7月25日,福建农林大学农学院/作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室在《The Crop Journal》(农学一区Top期刊,IF=3.395在线发表了题为“De novo assembly of chloroplast genomes of Corchorus capsularis and C. olitorius yields species-specific InDel markers”(基于黄麻圆果种和长果种叶绿体基因组的种间特异性InDel标记开发的研究论文(https://doi.org/10.1016/j.cj.2020.05.010)。该研究首次公布了黄麻两个栽培种的叶绿体基因组。

CJ.png

        黄麻为黄麻属(Corchorus)一年生韧皮部纤维作物,其纤维产量占世界麻类纤维总产量的80%。黄麻属有100多个种,具有栽培价值的有圆果种(C. capsularis)和长果种(C. olitorius),两者具有不同生长习性,存在生殖隔离,皆为二倍体(2n=14),主要在孟加拉、印度和中国等国家种植。在世界范围内,黄麻的产量和种植面积仅次于棉花,是麻纺工业的重要原料,每年黄麻生产产值达到23亿美元。除了利用麻纤维,黄麻多功能用途还拓展到菜用、盐碱地修复用、茶用、重金属吸附用等。

     然而黄麻这些种的系统发育关系尚未明确。本研究以黄麻国家区域试验对照品种长果种“宽叶长果”和圆果种“黄麻179”为材料,进行叶绿体基因组组装,全长分别为161,766bp和161,088bp,均编码112个基因(其中含30个tRNA,4个rRNA,和78个编码基因)。通过比较黄麻圆果种和长果种的叶绿体基因组,共找到4个高度变异区,均位于单拷贝区而不是反向重复区。经鉴定,圆果种黄麻的叶绿体基因组有66个简单重复序列(SSR)位点而长果种有56个SSR位点。黄麻圆果种和长果种的叶绿体基因组差异较大,包括2417个单核苷酸多态性位点和294个插入缺失位点,其中种间特异标记cpInDel205能完全区分这两个种的不同品种。黄麻与其他锦葵科叶绿体基因组比较,发现黄麻脂肪酸合成相关基因accD不完整,存在部分缺失,推测黄麻叶绿体基因组该基因在进化过程中转移到核基因组中。后续针对黄麻圆果种和长果种的核基因组、叶绿体基因组和线粒体基因组的accD基因进行了共线性分析,在一定程度上佐证了这一猜想。黄麻与锦葵科不同植物的系统发育树显示,黄麻圆果种和长果种在亲缘关系上与棉属更近,且存在大量的微结构变异(图1)。在一定程度上佐证黄麻属于锦葵科(Malvaceae),而不是椴树科(Tiliaceae)(基于形态的植物分类)。

黄麻系统发育.jpg

图1 黄麻圆果种(C. capsularis)和长果种(C. olitorius)与棉属等植物系统发育树

     

     这是继福建农林大学麻类室2020年3月17日在《Frontiers in Genetics》(IF=3.258)发表了题为“Complete Chloroplast Genome Sequence of Hibiscus cannabinus and Comparative Analysis of the Malvaceae Family”(红麻叶绿体基因组及与锦葵科不同植物的比较分析)的研究论文(doi:10.3389/fgene.2020.00227),又一系统发育分析研究论文,福建农林大学硕士研究生方书生为论文的第一作者。

FG111.png


    红麻(KenafHibiscus cannabinus L.)是短日照一年生草本作物,其韧皮部纤维(麻皮)主要用于麻线、麻绳、麻袋、麻布等包装用纺织,还用于家饰板材、饲料等多功能用途。在热带、亚热带、温带和寒带均有种植,分布范围广。红麻耐盐碱、干旱、耐洪涝、适应性广,可不与粮、棉、油、菜争好地,可用于重金属污染农田的植物修复,发展红麻将带动我国逆境农业的发展。

    本研究以红麻国家区域试验对照品种“福红952”为材料,进行叶绿体基因组组装,全长为162,903bp,编码113个基因(其中含30个tRNA,4个rRNA,和79个编码基因)红麻与锦葵科不同植物的系统发育树显示,与棉属相比,红麻在亲缘关系上与海滨木槿(Talipariti hamabo,名称已修订,正名为:Hibiscus hamabo)、黄秋葵(Abelmoschus esculentus)更近(图2)。进一步佐证红麻属于锦葵科。这些结果有助于理解锦葵科麻类作物的系统发育关系。值得注意的是,锦葵科棉属利用的是种皮纤维,而黄麻红麻利用的是次生韧皮部纤维。

    

FG.png

                        图 2 红麻(Hibiscus cannabinus)与棉属等植物系统发育树                               

    结合这两篇麻类作物叶绿体基因组研究论文,发现:1.黄麻红麻具有典型叶绿体基因组的 结构特征 LSC–IR–SSC–IR)。2. 叶绿体基因组系统发育树类群与小单拷贝区(SSC)的方向相关(the different orientation of SSC in the cp genomes seemed to be associated with different groups in the phylogenetic analysis)。以拟南芥的SSC方向为+,图2的CLADE C和D为+,而CLADE A和B为-。这是植物系统发育分析的一个有意思发现,是否具有普遍性有待深入研究。3.  黄麻红麻与锦葵科其他不同植物叶绿体基因组比较,发现ycf1等基因在锦葵科不同植物的多态性丰富,可作为锦葵科不同植物进化与系统发育分析的标记基因。

    福建农林大学麻类室自1948年以来,以黄麻、红麻为主要研究对象,坚持了70余年的麻类作物遗传育种与综合利用研究。这两篇研究论文的通讯作者为福建农林大学张立武教授,祁建民教授参与了研究。研究得到国家自然科学基金项目(31771369,31972968)和国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-19-E06)等经费资助。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514120300921;

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2020.00227/full




https://wap.sciencenet.cn/blog-406109-1243947.html

上一篇:TPB: 综述-植物育种中关联分析原理与方法
下一篇:TPB: 综述-作物耐盐机制及信号通路:基于转基因植物
收藏 IP: 112.54.33.*| 热度|

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 05:14

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部