石仙桃与细叶石仙桃叶绿体基因组解析及其系统发育

doi:10.11686/cyxb2023192

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (4): 171-185.DOI: 10.11686/cyxb2023192

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石仙桃与细叶石仙桃叶绿体基因组解析及其系统发育

刘保财¹^,²^,³(), 胡学博², 张武君¹^,³, 赵云青¹^,³, 黄颖桢¹^,³, 陈菁瑛¹^,³()

^1.福建省农业科学院作物研究所，福建福州 350003
^2.华中农业大学植物科技学院，湖北武汉 430070
^3.福建省农业科学院药用植物研究中心，福建福州 350003

收稿日期:2023-06-09 修回日期:2023-08-04 出版日期:2024-04-20 发布日期:2024-01-15
通讯作者: 陈菁瑛
作者简介:E-mail： cjy6601@163.com
刘保财（1985-），男，河南林州人，博士。E-mail： 626813844@qq.com
基金资助:
福建省属公益类项目(2020R1034003);福建省人民政府协同创新工程项目(XTCXGC2021003);福建省农业科学院科技创新团队(CXTD2021014-2);“一带一路”国家传统草药实物库及图片信息库建设(2018FY100702)

Chloroplast genome assembly and phylogenetic analysis of Pholidota chinensis and Pholidota cantonensis

Bao-cai LIU¹^,²^,³(), Xue-bo HU², Wu-jun ZHANG¹^,³, Yun-qing ZHAO¹^,³, Ying-zhen HUANG¹^,³, Jing-ying CHEN¹^,³()

^1.Institute of Crop Sciences，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 350003，China
^2.College of Plant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China
^3.Research Center for Medicinal Plant，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 350003，China

Received:2023-06-09 Revised:2023-08-04 Online:2024-04-20 Published:2024-01-15
Contact: Jing-ying CHEN

摘要/Abstract

摘要：

石仙桃和细叶石仙桃均为珍稀濒危的附生兰，两者叶绿体基因组特征及其系统发育报道较少，本研究旨在揭示石仙桃和细叶石仙桃叶绿体基因组特征及其系统发育。2022年5月取驯化栽培的石仙桃和细叶石仙桃幼嫩叶片，基于Illumina测序平台分别获得石仙桃和细叶石仙桃叶绿体序列，用GetOrganelle组装、CPGAVAS2注释，利用生物信息学方法开展重复序列、密码子偏好性、四分体边界等叶绿体特征分析，并从NCBI上下载相关的序列开展基因组比较与系统发育分析。石仙桃叶绿体基因组大小为159122 bp（GC含量为37.41%），细叶石仙桃叶绿体基因组大小为158798 bp（GC含量为37.47%），两者均包括大单拷贝区（LSC）、小单拷贝区（SSC）和反向重复序列（IRa/IRb）。石仙桃与细叶石仙桃均注释了113个基因，其中编码蛋白质的基因79个，石仙桃中编码79个蛋白质基因使用22968个密码子，编码亮氨酸的UUA相对同义密码子使用频次（RSCU）达到1.90；细叶石仙桃中编码79个蛋白质的基因使用22923个密码子，编码亮氨酸UUA的RSCU达到1.91。石仙桃叶绿体基因组中共有44个简单序列重复（SSR）、47个散在重复、26个串联重复；细叶石仙桃有32个SSR、25个散在重复、30个串联重复。石仙桃属6个物种的四分体边界及共线性无大片段变化，但存在核苷酸多态性，trnK-UUU、trnQ-UUG、rpl16等基因可作为物种的分子标记候选基因。系统分析明确了石仙桃和细叶石仙桃等石仙桃属物种与蜂腰兰和流苏贝母亲缘关系较近，并同处于附生兰的分支中，叶绿体基因组大片段倒置等可能是兰科适应生活习性改变的原因之一。本研究明确了石仙桃和细叶石仙桃叶绿体基因组特征，探讨了其系统发育及兰科生活习性与叶绿体基因组之间的关系，为进一步分类和分子标记开发等相关研究奠定了基础。

关键词: 石仙桃, 细叶石仙桃, 叶绿体, 基因组, 系统发育, 附生

Abstract:

Pholidota chinensis and Pholidota cantonensis are rare and endangered epiphytic orchids. Little is known about their chloroplast genome sequences and phylogeny， so the aim of this study was to reveal their chloroplast genome characteristics and phylogenetic relationships. Young leaves of domesticated P. chinensis and P. cantonensis were collected in May 2022， and DNA was extracted and then sequenced using the Illumina sequencing platform. Bioinformatic analyses revealed that the chloroplast genomes included repetitive sequences and quartet boundaries， and showed codon biases. Chloroplast DNA sequences from related species were downloaded from the NCBI for genome comparison and phylogeny analyses. The chloroplast genomes of P. chinensis and P. cantonensis were 159122 bp （37.41% GC content） and 158798 bp （37.47% GC content） in length， respectively. They both included a large single-copy region （LSC）， a small single-copy region （SSC）， and an inverted repeat sequence （IRa/IRb）. The relative synonymous codon usage of UUA encoding leucine reached 1.90 in P. chinensis and 1.91 in P. cantonensis. The chloroplast genome of P. chinensis had 44 simple sequence repeats， 47 scattered repeats， and 26 tandem repeats. The chloroplast genome of P. cantonensis had 32 simple sequence repeats， 25 scattered repeats， and 30 tandem repeats. The quartet boundaries and covariance of the six species in the Pholidota showed no large block variations， but some nucleotide polymorphisms were detected. Genes including trnK-UUU， trnQ-UUG， and rpl16 were identified as candidate genes for molecular markers of these species. A systematic analysis clarified that， although P. chinensis and P. cantonensis are in the genus Pholidota， they are more closely related to Bulleyia yunnanensis and Coelogyne fimbriata， and are located on the same branch of epiphytic orchids in the phylogenetic tree. The inversion of large segments of the chloroplast genome might be one of the reasons for the different growth habits of members of the Orchidaceae， and their ability to adapt to different habitats. The results of this study reveal the characteristics of the chloroplast genomes of P. chinensis and P. cantonensis， and provide new information about the relationship between their phylogeny and growth habits. These findings lay the foundation for further research on the classification of members of the Orchidaceae， as well as for molecular marker development and other related research.

Key words: Pholidota chinensis, Pholidota cantonensis, chloroplasts, genome, phylogeny, epiphytes

刘保财, 胡学博, 张武君, 赵云青, 黄颖桢, 陈菁瑛. 石仙桃与细叶石仙桃叶绿体基因组解析及其系统发育[J]. 草业学报, 2024, 33(4): 171-185.

Bao-cai LIU, Xue-bo HU, Wu-jun ZHANG, Yun-qing ZHAO, Ying-zhen HUANG, Jing-ying CHEN. Chloroplast genome assembly and phylogenetic analysis of Pholidota chinensis and Pholidota cantonensis[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(4): 171-185.

图/表 12

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基因Genes	列表List	数量No.
自我复制相关基因Genes for self-replication
核糖体RNA基因rRNA genes	rrn16， rrn23， rrn4.5， rrn5	4
转运RNA基因tRNA genes	trnA-UGC， trnC-GCA， trnD-GUC， trnE-UUC， trnF-GAA， trnG-GCC， trnG-UCC， trnH-GUG， trnI-CAU， trnI-GAU， trnK-UUU， trnL-CAA， trnL-UAA， trnL-UAG， trnM-CAU， trnN-GUU， trnP-UGG， trnQ-UUG， trnR-ACG， trnR-UCU， trnS-GCU， trnS-GGA， trnS-UGA， trnT-GGU， trnT-UGU， trnV-GAC， trnV-UAC， trnW-CCA， trnY-GUA， trnfM-CAU	30
核糖体小亚基基因Small subunit of ribosome genes	rps11， rps12*， rps14， rps15， rps16， rps18， rps19， rps2， rps3， rps4， rps7， rps8	12
核糖体大亚基基因Large subunit of ribosome genes	rpl14， rpl16， rpl2， rpl20， rpl22， rpl23， rpl32， rpl33， rpl36	9
RNA 聚合酶亚基基因RNA polymerase subunit genes	rpoA， rpoB， rpoC1， rpo*C2	4
光合作用相关基因Genes for photosynthesis
NADH 脱氢酶基因NADH dehydrogenase genes	ndhA， ndhB， ndhC， ndhD， ndhE， ndhF， ndhG， ndhH， ndhI， ndhJ， ndhK	11
ATP 合成酶基因ATP synthase genes	atpA， atpB， atpE， atpF， atpH， atp*I	6
光合系统Ⅰ基因Photosystem I genes	psaA， psaB， psaC， psaI， psaJ	5
光合系统Ⅱ基因Photosystem Ⅱ genes	psbA， psbB， psbC， psbD， psbE， psbF， psbH， psbI， psbJ， psbK， psbL， psbM， psbN， psbT， psbZ	15
细胞色素b/f复合体基因Cytochrome b/f complex genes	petA， petB， petD， petG， petL， petN	6
RubisCO大亚基基因RubisCO large subunit gene	rbcL	1
其他基因Other genes
成熟酶K基因Maturase K gene	matK	1
蛋白酶基因Protease gene	clpP**	1
囊膜蛋白基因Envelop membrane protein gene	cemA	1
C 型细胞色素合成基因C-type cytochrome synthesis gene	ccsA	1
翻译起始因子基因Translational initiation factor gene	infA	1
乙酰辅酶A羧化酶亚基基因 Acetyl-CoA carboxylase beta subunit gene	accD	1
未知功能基因Unknown function genes
假定叶绿体阅读框基因 Hypothetical chloroplast reading frames genes	ycf1， ycf2， ycf3*， ycf*4	4

基因Genes	列表List	数量No.
自我复制相关基因Genes for self-replication
核糖体RNA基因rRNA genes	rrn16， rrn23， rrn4.5， rrn5	4
转运RNA基因tRNA genes	trnA-UGC， trnC-GCA， trnD-GUC， trnE-UUC， trnF-GAA， trnG-GCC， trnG-UCC， trnH-GUG， trnI-CAU， trnI-GAU， trnK-UUU， trnL-CAA， trnL-UAA， trnL-UAG， trnM-CAU， trnN-GUU， trnP-UGG， trnQ-UUG， trnR-ACG， trnR-UCU， trnS-GCU， trnS-GGA， trnS-UGA， trnT-GGU， trnT-UGU， trnV-GAC， trnV-UAC， trnW-CCA， trnY-GUA， trnfM-CAU	30
核糖体小亚基基因Small subunit of ribosome genes	rps11， rps12*， rps14， rps15， rps16， rps18， rps19， rps2， rps3， rps4， rps7， rps8	12
核糖体大亚基基因Large subunit of ribosome genes	rpl14， rpl16， rpl2， rpl20， rpl22， rpl23， rpl32， rpl33， rpl36	9
RNA 聚合酶亚基基因RNA polymerase subunit genes	rpoA， rpoB， rpoC1， rpo*C2	4
光合作用相关基因Genes for photosynthesis
NADH 脱氢酶基因NADH dehydrogenase genes	ndhA， ndhB， ndhC， ndhD， ndhE， ndhF， ndhG， ndhH， ndhI， ndhJ， ndhK	11
ATP 合成酶基因ATP synthase genes	atpA， atpB， atpE， atpF， atpH， atp*I	6
光合系统Ⅰ基因Photosystem I genes	psaA， psaB， psaC， psaI， psaJ	5
光合系统Ⅱ基因Photosystem Ⅱ genes	psbA， psbB， psbC， psbD， psbE， psbF， psbH， psbI， psbJ， psbK， psbL， psbM， psbN， psbT， psbZ	15
细胞色素b/f复合体基因Cytochrome b/f complex genes	petA， petB， petD， petG， petL， petN	6
RubisCO大亚基基因RubisCO large subunit gene	rbcL	1
其他基因Other genes
成熟酶K基因Maturase K gene	matK	1
蛋白酶基因Protease gene	clpP**	1
囊膜蛋白基因Envelop membrane protein gene	cemA	1
C 型细胞色素合成基因C-type cytochrome synthesis gene	ccsA	1
翻译起始因子基因Translational initiation factor gene	infA	1
乙酰辅酶A羧化酶亚基基因 Acetyl-CoA carboxylase beta subunit gene	accD	1
未知功能基因Unknown function genes
假定叶绿体阅读框基因 Hypothetical chloroplast reading frames genes	ycf1， ycf2， ycf3*， ycf*4	4

物种 Species	RL （bp）	MD	起始位置Starting position （bp）		物种 Species	RL （bp）	MD	起始位置Starting position （bp）
物种 Species	RL （bp）	MD	重复1 Repeat 1	重复2 Repeat 2	物种 Species	RL （bp）	MD	重复1 Repeat 1	重复2 Repeat 2
PCH	26699	P	86910	132423	PCH	31	P	94747	151278
PCH	59	P	13	13	PCH	31	P	99062	99062
PCH	50	P	125188	125188	PCH	31	F	99062	146939
PCH	46	P	30245	30245	PCH	31	P	146939	146939
PCH	49	F	92277	92298	PCH	31	F	151257	151281
PCH	49	P	92277	153685	PCH	30	F	10149	37527
PCH	49	P	92298	153706	PCH	30	F	29317	69320
PCH	49	F	153685	153706	PCH	30	F	39780	42004
PCH	47	P	64797	64797	PCH	30	F	44756	102157
PCH	35	F	94706	94748	PCH	30	P	44756	143845
PCH	35	P	94706	151249	PCH	30	P	60483	60521
PCH	35	P	94748	151291	PCA	26514	P	87008	132284
PCH	35	F	151249	151291	PCA	46	P	30029	30029
PCH	34	P	5271	5271	PCA	53	P	64931	64931
PCH	39	F	44744	102145	PCA	45	P	0	0
PCH	39	P	44744	143848	PCA	34	P	5233	5233
PCH	30	P	37602	37602	PCA	39	F	44829	102053
PCH	30	P	118249	118249	PCA	39	P	44829	143714
PCH	37	P	127707	127707	PCA	38	P	125153	125153
PCH	37	P	129089	129089	PCA	30	P	118177	118177
PCH	30	P	8563	46180	PCA	37	P	128923	128923
PCH	31	F	94702	94720	PCA	34	P	3432	3432
PCH	31	P	94702	151281	PCA	30	P	8383	46270
PCH	31	P	94720	151299	PCA	33	P	12697	12697
PCH	31	F	151281	151299	PCA	30	P	6168	6168
PCH	33	P	12873	12873	PCA	32	P	36907	46270
PCH	30	P	6196	6196	PCA	31	P	98970	98970
PCH	30	P	43273	76389	PCA	31	F	98970	146805
PCH	30	P	47739	47739	PCA	31	P	146805	146805
PCH	30	F	92277	92319	PCA	30	F	9970	37740
PCH	30	P	92277	153683	PCA	30	F	29081	69448
PCH	30	P	92319	153725	PCA	30	F	39874	42098
PCH	30	F	153685	153727	PCA	30	F	43395	116545
PCH	32	P	36760	46180	PCA	30	F	44841	102065
PCH	31	F	94723	94747	PCA	30	P	44841	143711
PCH	31	P	94723	151254	PCA	30	P	60617	60655

物种 Species	RL （bp）	MD	起始位置Starting position （bp）		物种 Species	RL （bp）	MD	起始位置Starting position （bp）
物种 Species	RL （bp）	MD	重复1 Repeat 1	重复2 Repeat 2	物种 Species	RL （bp）	MD	重复1 Repeat 1	重复2 Repeat 2
PCH	26699	P	86910	132423	PCH	31	P	94747	151278
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PCH	35	P	94706	151249	PCH	30	P	60483	60521
PCH	35	P	94748	151291	PCA	26514	P	87008	132284
PCH	35	F	151249	151291	PCA	46	P	30029	30029
PCH	34	P	5271	5271	PCA	53	P	64931	64931
PCH	39	F	44744	102145	PCA	45	P	0	0
PCH	39	P	44744	143848	PCA	34	P	5233	5233
PCH	30	P	37602	37602	PCA	39	F	44829	102053
PCH	30	P	118249	118249	PCA	39	P	44829	143714
PCH	37	P	127707	127707	PCA	38	P	125153	125153
PCH	37	P	129089	129089	PCA	30	P	118177	118177
PCH	30	P	8563	46180	PCA	37	P	128923	128923
PCH	31	F	94702	94720	PCA	34	P	3432	3432
PCH	31	P	94702	151281	PCA	30	P	8383	46270
PCH	31	P	94720	151299	PCA	33	P	12697	12697
PCH	31	F	151281	151299	PCA	30	P	6168	6168
PCH	33	P	12873	12873	PCA	32	P	36907	46270
PCH	30	P	6196	6196	PCA	31	P	98970	98970
PCH	30	P	43273	76389	PCA	31	F	98970	146805
PCH	30	P	47739	47739	PCA	31	P	146805	146805
PCH	30	F	92277	92319	PCA	30	F	9970	37740
PCH	30	P	92277	153683	PCA	30	F	29081	69448
PCH	30	P	92319	153725	PCA	30	F	39874	42098
PCH	30	F	153685	153727	PCA	30	F	43395	116545
PCH	32	P	36760	46180	PCA	30	F	44841	102065
PCH	31	F	94723	94747	PCA	30	P	44841	143711
PCH	31	P	94723	151254	PCA	30	P	60617	60655

位置 Position （bp）	片段 Fragment （bp）	重复 Copy	一致大小 Consensus size （bp）	匹配比 Percent matches （%）	插入删除比率Percent indels （%）	比例 Percent （%）		熵 Entropy （0~2）	一致性序列 Consistent sequence
位置 Position （bp）	片段 Fragment （bp）	重复 Copy	一致大小 Consensus size （bp）	匹配比 Percent matches （%）	插入删除比率Percent indels （%）	A	C	熵 Entropy （0~2）	一致性序列 Consistent sequence
1634~1670	19	2.0	18	89	5	43	8	1.74	ACGAATATCATGATATAT
4809~4845	18	2.1	17	90	5	78	0	0.96	AAAAAAAAGAAGAAAAT
6480~6522	16	2.6	16	85	3	53	16	1.43	TAACTAAATAATATAC
14554~14578	12	2.1	12	100	0	24	24	1.80	TTCTGTAACCAT
15813~15837	12	2.1	12	100	0	48	0	1.46	TTAATGATAAGA
29285~29339	21	2.6	20	76	18	18	9	1.10	TTTTTTTTTCTTATATTCTA
29286~29359	22	3.4	21	78	14	18	8	1.18	TTTTATTTCTTATATTCTATA
51318~51342	9	2.8	9	100	0	60	8	1.57	AAGAAATTC
55676~55737	10	6.1	10	82	17	30	8	1.25	TCTATTTATA
55676~55739	22	3.0	20	81	18	31	7	1.25	TCTATTTATATTATTTTATA
55752~55783	16	2.0	16	93	0	9	21	1.17	TCTTTATCTTTACTTT
69771~69800	15	2.0	15	93	0	63	13	1.50	AAGGAATAAACAAAC
69807~69850	21	2.1	21	86	0	34	25	1.87	TAAATCCAAACAACCTTTTCG
79827~79866	20	2.0	20	100	0	45	0	1.51	ATATGTAGATATGTATGAAA
83372~83423	27	2.0	25	85	14	11	5	1.13	TTCTTTTTTTTCTTTTTTTTTTGAA
92258~92347	21	4.1	21	92	4	13	26	1.73	TTTGTCCAAGTCACTTCTCTT
94700~94787	9	10.1	9	78	7	32	4	1.77	TATTGATGA
94707~94783	18	3.9	18	81	18	33	5	1.79	GATATTGATGATAGTGAC
94724~94771	24	2.0	24	100	0	33	8	1.86	CGATATTGATGATAGTGACGATAT
94724~94784	24	2.5	24	89	5	32	6	1.82	CGATATAGATGATAGTGACGATAT
116164~116201	17	2.2	17	86	9	34	7	1.28	ATATTATATATATTTCT
116300~116345	15	3.1	15	87	9	19	13	1.23	TTTATTCTTTACTAT
130054~130080	12	2.2	12	100	0	14	11	1.08	TTCTTTATTTAT
151250~151326	18	3.9	18	81	18	33	27	1.79	TCACTATCATCAATATCG
151246~151333	9	10.1	9	75	7	36	26	1.77	ATCATCAAT
153686~153775	21	4.1	21	92	4	50	10	1.73	AAAAAGAGAAGTGACTTGGAC

石仙桃与细叶石仙桃叶绿体基因组解析及其系统发育

Chloroplast genome assembly and phylogenetic analysis of Pholidota chinensis and Pholidota cantonensis

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位置 Position （bp）	片段 Fragment （bp）	重复Copy	一致大小 Consensus size （bp）	匹配比率 Percent matches （%）	插入删除比率Percent indels （%）	比例 Percent （%）		熵 Entropy （0~2）	一致性序列 Consistent sequence
位置 Position （bp）	片段 Fragment （bp）	重复Copy	一致大小 Consensus size （bp）	匹配比率 Percent matches （%）	插入删除比率Percent indels （%）	A	C	熵 Entropy （0~2）	一致性序列 Consistent sequence
3690~3724	17	2.1	17	88	0	8	11	1.31	ATTTTCTTTTCCTTGTT
4759~4802	18	2.4	18	85	7	75	2	1.03	AAGAAGAAGAAGAAAAAA
4766~4808	20	2.2	20	87	8	76	0	0.95	AAGAAAAAGAAAAAGAAAAT
8792~8855	29	2.2	29	76	13	42	4	1.54	TAGATATTCTATATTAATATGATTAATAT
15594~15618	12	2.1	12	100	0	48	0	1.46	TTAATGATAAGA
28266~28325	26	2.3	26	79	0	45	5	1.68	TAGATATAATATAAGGAATCTAAGTA
29086~29123	19	2.1	19	90	9	13	10	1.19	TTCTATTTGTATATTTTCT
29538~29582	16	2.8	17	86	6	35	8	1.31	TATCTATATATTATATA
29680~29706	12	2.2	12	100	0	25	40	1.82	ATCCCCGTACTA
32205~32247	22	1.9	23	90	4	46	6	1.51	TATATCACTATATATAATATAAG
32366~32405	16	2.5	15	84	11	65	2	1.35	TAAATAAAAGTAAAG
32614~32673	32	1.9	32	90	10	55	3	1.54	AATTATATAGAAATATCTAAAGAGTAAAGAGA
60864~60890	13	2.1	13	100	0	44	0	0.99	TTTATAATTATAA
67021~67053	16	2.1	16	94	0	45	6	1.61	TAAATAGAAATTCTTA
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69940~69983	21	2.1	21	82	0	34	22	1.86	TAAATCCAAACAACCTTTTCG
73727~73767	14	3.2	13	78	21	21	7	1.11	TTTCTTATTTATA
74208~74252	13	3.5	13	87	6	26	8	1.23	TCTTATTTTTATA
85176~85230	29	1.9	29	82	10	18	10	1.15	TTATTCTAATTTCATTTCTATTTTTATAT
102724~102778	14	4.2	13	84	11	18	12	1.32	TTCTTTTCTATTA
102740~102784	14	3.1	14	84	12	24	8	1.34	TTCTATTATTATTA
102757~102802	17	2.6	17	86	3	32	4	1.28	TATTATTATTATTATAT
116140~116210	23	2.8	24	81	14	33	8	1.38	TTATTATATATATATCTTATTCTA
116166~116223	15	4.1	15	73	20	34	8	1.41	TTATATACTATATAC
116212~116253	21	2.1	20	82	8	26	11	1.30	TACTATTTACTTTACTACTT
116357~116388	16	2.1	15	94	5	56	0	0.99	AAATATATTAATATT
130373~130409	18	2.1	18	100	0	16	21	1.59	TCTCCAGTTTTTTCATTA
143005~143048	17	2.5	17	85	3	61	2	1.28	TAATAATAAGAATAGAA
143029~143083	14	4.2	13	82	13	67	1	1.32	AATAATAGAAAAG

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