紫叶风箱果叶绿体基因组特征及绣线菊亚科系统发育分析

doi:10.11686/cyxb2023153

摘要/Abstract

摘要：

紫叶风箱果是我国近年来从北美引入的观赏性花灌木。为了明确紫叶风箱果叶绿体基因组结构特征，阐明紫叶风箱果在绣线菊亚科中的分类地位，使用Illumina NovaSeq 6000测序平台对其叶绿体基因组进行测序，并组装、注释到了其完整叶绿体基因组。结果表明：紫叶风箱果叶绿体基因组呈典型的双链环状四分体结构，全长为159131 bp，大单拷贝区（large single copy，LSC）长87582 bp、小单拷贝区（small single copy，SSC）长18829 bp、反向重复区a（inverted repeats a，IRa）和反向重复区b（inverted repeats b，IRb）长26360 bp；共注释到130个基因，包含83个蛋白编码基因，8个核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）基因，37个转运RNA（transfer RNA，tRNA）基因和2个假基因。共确定12个最优密码子（UUG、AUU、GUU、GUA、UAA、AAA、UCU、UCC、CCU、ACU、GCU、GGU）；密码子使用偏好性主要受自然选择影响，突变等因素对其影响较弱。共有27对长序列重复，87个简单重复序列标记（simple sequence repeat，SSR）位点；psbZ、trnG（UCC）、trnfM（CAU）、trnH（GUG）、psbA、rbcL、rpl20、rps12是紫叶风箱果叶绿体基因组中高核苷酸多态性的基因。系统发育结果表明，风箱果属和绣线梅属的物种亲缘关系较近。

关键词: 紫叶风箱果, 叶绿体基因组, 密码子使用偏好, 系统发育

Abstract:

Physocarpus opulifolius ‘Diabolo’ is an ornamental flowering shrub that has been introduced into China from North America in recent years. The aims of this study were to determine the structural characteristics of the chloroplast genome of P. opulifolius ‘Diabolo’ and to clarify its taxonomic status within the subfamily Spiraeoideae. The chloroplast genome of P. opulifolius ‘Diabolo’ was sequenced on the Illumina NovaSeq 6000 sequencing platform， and the complete chloroplast genome was assembled and annotated. The chloroplast genome of P. opulifolius ‘Diabolo’ had a typical quadripartite structure， with a total length of 159131 bp， large single copy （LSC） length of 87582 bp， small single copy （SSC） length of 18829 bp， and inverted repeats a （IRa） and inverted repeats b （IRb） length of 26360 bp. A total of 130 genes were annotated， including 83 protein-coding genes， 8 ribosomal RNA （rRNA） genes， 37 transfer RNA （tRNA） genes， and 2 pseudogenes. Twelve codons （UUG， AUU， GUU， GUA， UAA， AAA， UCU， UCC， CCU， ACU， GCU， GGU） were determined. The codon usage bias was mainly affected by natural selection， and mutation was a weak influencing factor. Twenty-seven pairs of long sequence repeats and 87 simple sequence repeat loci were detected. The genes with high nucleotide polymorphism in the chloroplast genome of Physocarpus opulifolius ‘Diabolo’ were psbZ， trnG （UCC）， trnfM （CAU）， trnH （GUG）， psbA， rbcL， rpl20 and rps12. The results of the phylogenetic analysis showed that Physocarpus is closely related to the genus Neillia.

Key words: Physocarpus opulifolius ‘Diabolo’, chloroplast genome, codon usage bias, phylogeny

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图/表 11

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物种名称Species name	登录号Accession number	物种名称Species name	登录号Accession number
珍珠花Spiraea thunbergii	ON357873	小野株蓝Neillia incisa	MT683856
蒙古绣线菊Spiraea mongolica	MT732945	高丛珍珠梅Sorbaria arborea	MN901450
绣球绣线菊Spiraea blumei	MN418904	华北珍珠梅Sorbaria kirilowii	MT528154
三裂绣线菊Spiraea trilobata	MW822176	星毛珍珠梅Sorbaria sorbifolia var. stellipila	MN026875
岛绣线菊Spiraea insularis	MT412405	白鹃梅Exochorda racemosa	OL449947
窄叶鲜卑花Sibiraea angustata	MW123094	齿叶白鹃梅Exochorda serratifolia	MZ981786
羊齿叶假升麻Aruncus aethusifolius	MZ882398	鸡爪茶Rubus henryi	MW238420
假升麻Aruncus sylvester	MW115132	白草莓Fragaria nilgerrensis	OM256477
风箱果P. amurensis	MK911770	鸡冠茶Sibbaldianthe bifurca	MW255973

物种名称Species name	登录号Accession number	物种名称Species name	登录号Accession number
珍珠花Spiraea thunbergii	ON357873	小野株蓝Neillia incisa	MT683856
蒙古绣线菊Spiraea mongolica	MT732945	高丛珍珠梅Sorbaria arborea	MN901450
绣球绣线菊Spiraea blumei	MN418904	华北珍珠梅Sorbaria kirilowii	MT528154
三裂绣线菊Spiraea trilobata	MW822176	星毛珍珠梅Sorbaria sorbifolia var. stellipila	MN026875
岛绣线菊Spiraea insularis	MT412405	白鹃梅Exochorda racemosa	OL449947
窄叶鲜卑花Sibiraea angustata	MW123094	齿叶白鹃梅Exochorda serratifolia	MZ981786
羊齿叶假升麻Aruncus aethusifolius	MZ882398	鸡爪茶Rubus henryi	MW238420
假升麻Aruncus sylvester	MW115132	白草莓Fragaria nilgerrensis	OM256477
风箱果P. amurensis	MK911770	鸡冠茶Sibbaldianthe bifurca	MW255973

基因功能Gene function	基因分类 Gene group	基因 Gene
光合作用Photosynthesis	光合系统I Photosystem I	psaA， psaB， psaC， psaI， psaJ
	光合系统II Photosystem II	psbA， psbB， psbC， psbD， psbE， psbF， psbH， psbI， psbJ， psbK， psbM， psbN， psbT， psbZ
	NADH 脱氢酶 Subunits of NADH dehydrogenase	ndhA， ndhB*（2）， ndhC， ndhD， ndhE， ndhF， ndhG， ndhH， ndhI， ndhJ， ndhK*
	细胞色素复合物 Cytochrome b/f complex	petA， petB， petD*， petG， petL， petN*
	ATP 合成酶 Subunits of ATP synthase	atpA， atpB， atpE， atpF， atpH， atpI*
	二磷酸核酮糖羧化酶大亚基 Large subunit of rubisco	rbcL
自我复制Self-replication	核糖体大亚基蛋白 Proteins of large ribosomal subunit	rpl14， rpl16， rpl2*（2）， rpl20， rpl22， rpl23（2）， rpl32， rpl33， rpl36*
	核糖体小亚基蛋白 Proteins of small ribosomal subunit	#rps19， rps11， rps12*（2）， rps14， rps15， rps16*， rps18， rps19， rps2， rps3， rps4， rps7（2）， rps8*
	RNA 聚合酶亚基 Subunits of RNA polymerase	rpoA， rpoB， rpoC1， rpoC2*
	核糖体RNA Ribosomal RNAs	rrn16S（2）， rrn23S（2）， rrn4.5S（2）， rrn5S（2）
	转运RNATransfer RNAs	trnA-UGC（2）， trnC-GCA， trnD-GUC， trnE-UUC， trnF-GAA， trnG-GCC， trnG-UCC， trnH-GUG， trnI-CAU（2）， trnI-GAU（2）， trnK-UUU， trnL-CAA（2）， trnL-UAA， trnL-UAG， trnM-CAU， trnN-GUU（2）， trnP-UGG， trnQ-UUG， trnR-ACG（2）， trnR-UCU， trnS-GCU（2）， trnS-UGA， trnT-GGU， trnT-UGU， trnV-GAC（2）， trnV-UAC， trnW-CCA， trnY-GUA， trnfM-CAU
其他基因Other genes	成熟酶 Maturase	matK
	蛋白酶 Protease	clpP**
	膜包被蛋白基因 Envelope membrane protein gene	cemA
	乙酰辅酶A羧化酶Acetyl-CoA carboxylase	accD
	c型细胞色素合成基因c-type cytochrome synthesis gene	ccsA
	翻译起始因子Translation initiation factor	-
未知功能 Unknown function	假想叶绿体读码框 Hypothetical chloroplast reading frames	#ycf1， ycf1， ycf2（2）， ycf3*， ycf4*

基因功能Gene function	基因分类 Gene group	基因 Gene
光合作用Photosynthesis	光合系统I Photosystem I	psaA， psaB， psaC， psaI， psaJ
	光合系统II Photosystem II	psbA， psbB， psbC， psbD， psbE， psbF， psbH， psbI， psbJ， psbK， psbM， psbN， psbT， psbZ
	NADH 脱氢酶 Subunits of NADH dehydrogenase	ndhA， ndhB*（2）， ndhC， ndhD， ndhE， ndhF， ndhG， ndhH， ndhI， ndhJ， ndhK*
	细胞色素复合物 Cytochrome b/f complex	petA， petB， petD*， petG， petL， petN*
	ATP 合成酶 Subunits of ATP synthase	atpA， atpB， atpE， atpF， atpH， atpI*
	二磷酸核酮糖羧化酶大亚基 Large subunit of rubisco	rbcL
自我复制Self-replication	核糖体大亚基蛋白 Proteins of large ribosomal subunit	rpl14， rpl16， rpl2*（2）， rpl20， rpl22， rpl23（2）， rpl32， rpl33， rpl36*
	核糖体小亚基蛋白 Proteins of small ribosomal subunit	#rps19， rps11， rps12*（2）， rps14， rps15， rps16*， rps18， rps19， rps2， rps3， rps4， rps7（2）， rps8*
	RNA 聚合酶亚基 Subunits of RNA polymerase	rpoA， rpoB， rpoC1， rpoC2*
	核糖体RNA Ribosomal RNAs	rrn16S（2）， rrn23S（2）， rrn4.5S（2）， rrn5S（2）
	转运RNATransfer RNAs	trnA-UGC（2）， trnC-GCA， trnD-GUC， trnE-UUC， trnF-GAA， trnG-GCC， trnG-UCC， trnH-GUG， trnI-CAU（2）， trnI-GAU（2）， trnK-UUU， trnL-CAA（2）， trnL-UAA， trnL-UAG， trnM-CAU， trnN-GUU（2）， trnP-UGG， trnQ-UUG， trnR-ACG（2）， trnR-UCU， trnS-GCU（2）， trnS-UGA， trnT-GGU， trnT-UGU， trnV-GAC（2）， trnV-UAC， trnW-CCA， trnY-GUA， trnfM-CAU
其他基因Other genes	成熟酶 Maturase	matK
	蛋白酶 Protease	clpP**
	膜包被蛋白基因 Envelope membrane protein gene	cemA
	乙酰辅酶A羧化酶Acetyl-CoA carboxylase	accD
	c型细胞色素合成基因c-type cytochrome synthesis gene	ccsA
	翻译起始因子Translation initiation factor	-
未知功能 Unknown function	假想叶绿体读码框 Hypothetical chloroplast reading frames	#ycf1， ycf1， ycf2（2）， ycf3*， ycf4*

基因Gene	位置Location	外显子I Exon I	内含子I Intron I	外显子II Exon II	内含子II Intron II	外显子III Exon III
trnK-UUU	大单拷贝区LSC	37	2499	35
rps16	大单拷贝区LSC	39	892	228
trnG-GCC	大单拷贝区LSC	23	695	48
atpF	大单拷贝区LSC	145	793	410
rpoC1	大单拷贝区LSC	430	761	1631
ycf3	大单拷贝区LSC	124	734	230	773	153
trnL-UAA	大单拷贝区LSC	37	516	50
trnV-UAC	大单拷贝区LSC	39	597	37
clpP	大单拷贝区LSC	71	808	291	660	226
petB	大单拷贝区LSC	6	771	657
petD	大单拷贝区LSC	9	720	474
rpl16	大单拷贝区LSC	9	983	402
rpl2	反向重复区IR	397	680	431
ndhB	反向重复区IR	775	680	758
trnI-GAU	反向重复区IR	42	943	35
trnA-UGC	反向重复区IR	38	807	35
ndhA	小单拷贝区SSC	553	1149	539