Difference analysis of chloroplast genome sequence between two ecotypes of Leymus chinensis in Inner Mongolia

doi:10.11686/cyxb2022338

Abstract

Abstract:

Leymus chinensis， a species of high-quality forage grass widely distributed in Inner Mongolia grassland， can be divided into two ecotypes according to the leaf color： gray-green and yellow-green， for which the chloroplastic differences have been previously described， but the molecular basis of the leaf color difference remains unclear. In this study， the chloroplast genomes of two ecotypes of L. chinensis， which were selected from Chilechuan grassland， are sequenced and analyzed using the Denovo sequencing platform. The results show that the gray-green type has a total length of 136816 bp， comprising a large single-copy region of 80973 bp， and a pair of inverted repeats with a length of 21560 bp； The yellow-green type counterpart has a total length of 136809 bp， a large single-copy region of 80962 bp， and a pair of inverted repeats with a length of 21562 bp. Meanwhile， it’s also found that each type contains a small single-copy region of 12723 bp， and each chloroplast genome contains 131 genes， encoding 84 proteins， 8 rRNAs and 39 tRNA genes. The two ecotypes share abundant repeats and differences， mostly located in the inter genic spacer. Moreover， a total of 14 mutated regions are found in the chloroplast genome sequences of the two， resulting in different contraction or expansion of the inverted repeat regions. Also， the phylogenetic analysis suggests kinship with the ancestor Psathyrostachys juncea. In conclusion， the chloroplast genome sequences of the two ecotypes in this study provide molecular information about the basis of the difference of leaf color. This information lays a foundation for the technology of chloroplast transformation.

Key words: gray-green Leymus ecotype, yellow-green Leymus ecotype, chlorophyll, chloroplast genome

Xiao-dong YU, Hao-yang YU, Xu YANG, Dong-xu ZHAO, Lin-gang ZHANG. Difference analysis of chloroplast genome sequence between two ecotypes of Leymus chinensis in Inner Mongolia[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(7): 72-84.

Figures/Tables 13

References 38

1	Zhou C， Yang Y F. Edaphic factors of differentiation for two ecotypes Leymus chinensis in North China. Progress in Natural Science， 2006， 16（11）： 1150-1155.
2	Cui J Z， Qu L Y， Zu Y G. Genetic diversity and differentiation of two ecotypes of Leymus chinensis populations in microhabitat-Allozyme analysis. Acta Ecologica Sinica， 2000， 20（3）： 434-439.
	崔继哲，曲来叶，祖元刚. 微生境下羊草两种生态型种群的遗传多样性及遗传分化-等位酶分析. 生态学报， 2000， 20（3）： 434-439.
3	Zhou C. Study on divergent adaptative characteristics and evolutional mechanism of two ecotypes Leymus chinensis in northeastern plain in China. Changchun： Northeast Normal University， 2004.
	周婵. 东北草原两个生态型羊草趋异适应特性及其进化机理的研究. 长春：东北师范大学， 2004.
4	Zhang B Y. Differential proteomic analysis of chloroplasts in two ecotypes of Leymus chinensis. Harbin： Harbin Normal University， 2017.
	张宝懿. 两种生态型羊草叶绿体的差异蛋白质组分析. 哈尔滨：哈尔滨师范大学， 2017.
5	Ma L J， Fan J Q， Narengaowa， et al. Comparative study on chloroplast pigment concentration and morphology between two ecotypes of Leymus chinensis in Inner Mongolia. Pratacultural Science， 2020， 37（9）： 1779-1786.
	马利娟，范精琦，娜仁高娃，等. 内蒙古两种生态型羊草叶绿体色素含量以及形态特征的对比. 草业科学， 2020， 37（9）： 1779-1786.
6	Lohse M， Drechsel O， Bock R. OrganellarGenomeDRAW （OGDRAW）： A tool for the easy generation of high-quality custom graphical maps of plastid and mitochondrial genomes. Current Genetics， 2007， 52（5/6）： 267-274.
7	Kurtz S， Choudhuri J， Ohlebusch E， et al. REPuter： The manifold applications of repeat analysis on a genomic scale. Nucleic Acids Research， 2001， 29（22）： 4633-4642.
8	Yang J X， Hu G X， Hu G W. Comparative genomics and phylogenetic relationships of two endemic and endangered species （Handeliodendron bodinieri and Eurycorymbus cavaleriei） of two monotypic genera within Sapindales. BMC Genomics， 2022， 23（1）： 1-22.
9	Wang R J， Cheng C L， Chang C C， et al. Dynamics and evolution of the inverted repeat-large single copy junctions in the chloroplast genomes of monocots. BMC Evolutionary Biology， 2008， 8（1）： 1-14.
10	Huang H， Shi C， Liu Y， et al. Thirteen Camellia chloroplast genome sequences determined by high-throughput sequencing： Genome structure and phylogenetic relationships. BMC Evolutionary Biology， 2014， 14（1）： 1-17.
11	Liu C K， Lei J Q， Jiang Q P， et al. The complete plastomes of seven Peucedanum plants： Comparative and phylogenetic analyses for the Peucedanum genus. BMC Plant Biology， 2022， 22（1）： 1-14.
12	Zhang H B， Dvorak J. The genome origin of tetraploid species of Leymus （Poaceae： Triticeae） inferred from variation in repeated nucleotide sequences. American Journal of Botany， 1991， 78（7）： 871-884.
13	Wang R R C， Jensen K B. Absence of the J genome in Leymus species （Poaceae： Triticeae）： Evidence from DNA hybridization and meiotic pairing. Genome， 1994， 37（2）： 231-235.
14	Hole D J， Jensen K B， Wang R R C， et al. Molecular marker analysis of Leymus flavescens and chromosome pairing in Leymus flavescens hybrids （Poaceae： Triticeae）. International Journal of Plant Sciences， 1999， 160（2）： 371-376.
15	Jonsson K A， Bodvarsdottir S K. Genomic and genetic relationships among species of Leymus （Poaceae： Triticeae） inferred from 18S-26S ribosomal genes. American Journal of Botany， 2001， 88（4）： 553-559.
16	Civan P， Foster P G， Embley M T， et al. Analyses of charophyte chloroplast genomes help characterize the ancestral chloroplast genome of land plants. Genome Biology and Evolution， 2014， 6（4）： 897-911.
17	Wang S， Gao L Z. Complete chloroplast genome sequence of green foxtail （Setaria viridis）， a promising model system for C₄ photosynthesis. Mitochondrial DNA Part A， 2016， 27（5）： 3707-3708.
18	Timme R E， Kuehi J V， Boore J L， et al. A comparative analysis of the Lactuca and Helianthus （Asteraceae） plastid genomes： Identification of divergent regions and categorization of shared repeats. The Botanical Society of America， 2007， 94（3）： 302-312.
19	Weng M L， Blazier J C， Govindu M， et al. Reconstruction of the ancestral plastid genome in Geraniaceae reveals a correlation between genome rearrangements， repeats， and nucleotide substitution rates. Molecular Biology and Evolution， 2014， 31（3）： 645-659.
20	Saski C， Lee S B， Fjellheim S， et al. Complete chloroplast genome sequences of Hordeum vulgare， Sorghum bicolor and Agrostis stolonifera， and comparative analyses with other grass genomes. Theoretical and Applied Genetics， 2007， 115（4）： 571-590.
21	Wang W C， Chen S Y， Zhang X Z. Whole-genome comparison reveals heterogeneous divergence and mutation hotspots in chloroplast genome of Eucommia ulmoides oliver. International Journal of Molecular Sciences， 2018， 19（4）： 1-16.
22	Morton B R， Clegg M T. Neighboring base composition is strongly correlated with base substitution bias in a region of the chloroplast genome. Journal of Molecular Evolution， 1995， 41（5）： 597-603.
23	Morton B R， Oberholzer V M， Clegg M T. The influence of specific neighboring bases on substitution bias in noncoding regions of the plant chloroplast genome. Journal of Molecular Evolution， 1997， 45（3）： 227-231.
24	Li W Q， Liu Y L， Yang Y， et al. Interspecific chloroplast genome sequence diversity and genomic resources in Diospyros. BMC Plant Biology， 2018， 18（1）： 1-11.
25	Dong W P， Liu H， Xu C， et al. A chloroplast genomic strategy for designing taxon specific DNA mini-barcodes： A case study on ginsengs. BMC Genetics， 2014， 15（1）： 1-8.
26	Zong D， Gan P H， Zhou A P， et al. Plastome sequences help to resolve deep-level relationships of Populus in the family salicaceae. Frontiers in Plant Science， 2019， 10： 5.
27	Sang T， Crawford D J， Stuessy T F. Chloroplast DNA phylogeny， reticulate evolution， and biogeography of Paeonia （Paeoniaceae）. American Journal of Botany， 1997， 84（8）： 1120-1136.
28	Mason-Gamer R J， Orme N L， Anderson C M. Phylogenetic analysis of North American Elymus and the monogenomic Triticeae （Poaceae） using three chloroplast DNA data sets. Genome， 2002， 45（6）： 991-1002.
29	Xu D H， Ban T. Phylogenetic and evolutionary relationships between Elymus humidus and other Elymus species based on sequencing of non-coding regions of cpDNA and AFLP of nuclear DNA. Theoretical and Applied Genetics， 2004， 108（8）： 1443-1448.
30	Alvarez I， Wendel J F. Ribosomal ITS sequences and plant phylogenetic inference. Molecular Phylogenetics and Evolution， 2003， 29（3）： 417-434.
31	Mansion G， Struwe L. Generic delimitation and phylogenetic relationships within the subtribe Chironiinae （Chironieae： Gentianaceae）， with special reference to Centaurium： Evidence from nrDNA and cpDNA sequences. Molecular Phylogenetics and Evolution， 2004， 32（3）： 951-977.
32	Liu Z， Hao G， Luo Y B， et al. Phylogeny and androecial evolution in Schisandraceae， inferred from sequences of nuclear ribosomal DNA its and chloroplast DNA trnL-F regions. International Journal of Plant Sciences， 2006， 167（3）： 539-550.
33	Asano T， Tsudzuki T， Takahashi S， et al. Complete nucleotide sequence of the sugarcane （Saccharum officinarum） chloroplast genome： A comparative analysis of four monocot chloroplast genomes. DNA Research， 2004， 11（2）： 93-99.
34	Wu Y， Liu F， Yang D G， et al. Comparative chloroplast genomics of Gossypium species： Insights into repeat sequence variations and phylogeny. Frontiers in Plant Science， 2018， 9： 376.
35	Yae-Eun L E E， Yoonkyung L E E， Sangtae K I M. A report of the second chloroplast genome sequence in Veronica nakaiana （Plantaginaceae）， an endemic species in Korea. Korean Journal of Plant Taxonomy， 2021， 51（1）： 109-114.
36	Fukuda T， Ashizawa H， Suzuki R， et al. Molecular phylogeny of the genus Asparagus （Asparagaceae） inferred from plastid petB intron and petD-rpoA intergenic spacer sequences. Plant Species Biology， 2010， 20（2）： 121-132.
37	Choi K S， Chung M G， Park S J. The complete chloroplast genome sequences of three Veroniceae species （Plantaginaceae）： Comparative analysis and highly divergent regions. Frontiers in Plant Science， 2016， 7： 355.
38	Qin Q L， Li J L， Zeng S Y， et al. The complete plastomes of red fleshed pitaya （Selenicereus monacanthus） and three related Selenicereus species： Insights into gene losses， inverted repeat expansions and phylogenomic implications. Physiology and Molecular Biology of Plants， 2022， 28（1）： 123-137.

项目 Item	灰绿型羊草 GG L. chinensis		黄绿型羊草 YG L. chinensis
项目 Item	长度Length （bp）	百分比Percent （%）	长度Length （bp）	百分比Percent （%）
全长 Total length	136816	100.00	136809	100.00
大单拷贝区 Large single-copy （LSC）	80973	59.18	80962	59.18
反向重复序列a Inverted repeats a （IRa）	21560	15.76	21562	15.76
小单拷贝区 Small single-copy （SSC）	12723	9.30	12723	9.30
反向重复序列b Inverted repeats b （IRb）	21560	15.76	21562	15.76
蛋白编码基因 Protein coding genes	59235	43.29	59235	43.30
转运RNA tRNA	3046	2.23	3046	2.23
核糖体RNA rRNA	9192	6.72	9192	6.72

项目 Item	灰绿型羊草 GG L. chinensis		黄绿型羊草 YG L. chinensis
项目 Item	长度Length （bp）	百分比Percent （%）	长度Length （bp）	百分比Percent （%）
全长 Total length	136816	100.00	136809	100.00
大单拷贝区 Large single-copy （LSC）	80973	59.18	80962	59.18
反向重复序列a Inverted repeats a （IRa）	21560	15.76	21562	15.76
小单拷贝区 Small single-copy （SSC）	12723	9.30	12723	9.30
反向重复序列b Inverted repeats b （IRb）	21560	15.76	21562	15.76
蛋白编码基因 Protein coding genes	59235	43.29	59235	43.30
转运RNA tRNA	3046	2.23	3046	2.23
核糖体RNA rRNA	9192	6.72	9192	6.72

基因分类 Gene classification	灰绿型GG	黄绿型YG	基因分类 Gene classification	灰绿型GG	黄绿型YG
基因总数 Total genes	131	131	tRNA基因 tRNA genes	39	39
蛋白质编码基因 Protein-coding genes	84	84	内含子中的基因 Genes with introns	12	12
rRNA基因 rRNA genes	8	8	IR区重复的基因 Genes duplicated by IR	18	18

基因分类 Gene classification	灰绿型GG	黄绿型YG	基因分类 Gene classification	灰绿型GG	黄绿型YG
基因总数 Total genes	131	131	tRNA基因 tRNA genes	39	39
蛋白质编码基因 Protein-coding genes	84	84	内含子中的基因 Genes with introns	12	12
rRNA基因 rRNA genes	8	8	IR区重复的基因 Genes duplicated by IR	18	18

基因分类 Category for genes	基因分组 Group of genes	基因名称 Name of genes
光合作用相关基因Genes for photosynthesis	光合系统Ⅰ基因Genes of photosystem I	psaB， psaA， psaI， psaJ， psaC
	光合系统Ⅱ基因Genes of photosystem II	psbA， psbK， psbI， psbD， psbC， psbZ， psbM， psbJ， psbB， psbT， pbfI， psbH， psbF， psbE， psbL
	ATP合酶基因Genes of ATP synthase	atpI， atpH， atpF， atpA， atpE， atpB
	细胞色素复合物基因Genes of cytochrome b/f complex	petN， petA， petL， petD， petB， petG
	NADH脱氢酶基因Genes of NADH-dehydrogenase	ndhJ， ndhK， ndhC， ndhB， ndhF， ndhD， ndhE， ndhG， ndhI， ndhA， ndhH
	二磷酸核酮羧化酶大亚基基因Large subunit genes of RuBisco	rbcL
表达相关基因 Genes for expression	rRNA基因rRNA genes	rrn16S， rrn23S， rrn4.5S， rrn5S
	tRNA基因tRNA genes	trnK-UUU， trnQ-UUG， trnS-GCU， trnG-GCC， trnM-CAU， trnS-CGA， trnT-GGU， trnE-UUC， trnY-GUA， trnD-GUC， trnC-GCA， trnR-UCU， trnL-UAA， trnF-GAA， trnV-UAC， trnW-CCA， trnP-UGG， trnH-GUG， trnI-GAU， trnA-UGC， trnN-GUU， trnN-GUU， trnL-UAG， trnL-CAA， trnS-UGA， trnT-UGU， trnV-GAC， trnR-ACG， trnR-ACG， trnS-GGA
	核糖体小亚基基因Small subunit genes of ribosomal	rps16， rps2， rps14， rps4， rps3， rps18， rps11， rps8， rps19， rps7， rps12， rps15
	核糖体大亚基基因Large subunit genes of ribosomal	rpl33， rpl20， rpl36， rpl14， rpl16， rpl22， rpl2， rpl23， rpl32
	依赖DNA的RNA聚合酶亚基基因DNA dependent RNA polymerase	rpoB， rpoC1， rpoC2， rpoA
其他基因 Other genes	C型细胞色素合成基因C-type cytochrome synthesis gene	ccsA
	外膜蛋白基因Envelope membrane protein gene	cemA
	成熟酶基因Maturase gene	matK
	蛋白酶基因Protease gene	clpP
	转录起始因子基因Translation initiation factor gene	infA
未知功能基因Genes of unknown function	假定叶绿体基因和保守开放阅读框Conserved hypothetical chloroplast reading frames	bptG， ycf3， ycf4