基于叶绿体全基因组序列变异位点的葫芦科植物资源遗传多样性的分子鉴定新方法

植物遗传多样性的精确鉴定是资源利用和相关产业发展的基础。我们利用来自葫芦科5个属(种和亚种)的叶绿体全基因组序列中的物种特有的4952个核苷酸变异位点作为分子性状编制分子鉴定检索表,供试样品得到成功鉴定。物种特有变异位点的数量和核苷酸构成存在属(种)间差异。马瓟瓜Cucumis melo subsp. agrestis (1753)和黑子南瓜Cucurbita ficifolia (1542)的特有变异位点的数量显著多于西瓜Citrullus lanatus (727)、藏瓜Indofevillea khasiana (623)和罗汉果Siraitia grosvenori (307)。罗汉果的特有变异位点的数量最少。马瓟瓜的特有变异位点中,T的比例(29.78%)均高于A、C或G (22.48%~24.30%)。黑子南瓜的特有变异位点中,A的比例(19.52%)低于T、C或G (24.97%~28.15%)。西瓜的特有变异位点中,A或T的比例(18.57%或21.46%)低于C或G (30.67%或29.30%)。藏瓜的特有变异位点中,T的比例(20.55%)低于A、C或G (25.04%~27.61%)。罗汉果的特有变异位点中,C的比例(21.82%)低于A、T或G (25.73%~26.71%)。结果显示,叶绿体基因组的单核苷酸变异位点信息,可用于葫芦科植物资源遗传多样性的分子鉴定。调查了中国过去120多年来葫芦科植物标本的收集现状,讨论了存在的问题与对策。本研究对于葫芦科植物种质资源的保护和利用以及相关产业的发展具有重要价值。

基于叶绿体全基因组核苷酸变异位点的大豆属(Glycine Willd.)植物的分子鉴定新方法

高通量测序技术大幅降低了获得基因组序列的成本,为大豆属植物资源多样性的精准鉴定提供了新的数据来源。我们利用来自大豆属7个近缘种的叶绿体全基因组的2363个核苷酸变异位点作为分子性状编制分子鉴定检索表,成功鉴定7个近缘种。这些特有变异位点的数量及核苷酸构成存在种间差异。大豆(Glycine max (L.) Merr.)、白毛烟豆(G. stenophita B.E.Pfeil & Tindale)、镰荚烟豆(G. falcata Benth.)、绢毛烟豆(G. canescens F. J. Herm.)以及扁豆荚大豆(G. dolichocarpa Tateishi & H. Ohashi)的特有变异位点中,A或T的比例(26.74%~42.62%)均高于C或G(9.84%~21.31%);短绒野大豆(G. tomentella Hayata)中,A、T或C的比例(26.36%~27.91%)均高于G的比例(19.38%);玫红野大豆(G. syndetika B. E. Pfeil & Craven)中,T或G的比例(30.00%)均高于A或C的比例(18.33%~21.67%)。结果显示叶绿体基因组的单核苷酸变异位点信息,可用于大豆属植物的分子鉴定。本研究对于大豆属植物种质资源的分类鉴定、保护和利用具有重要价值。

5种柏科植物叶绿体基因组密码子偏好性分析

【目的】通过叶绿体基因组密码子偏好性,分析5种柏科植物(秃杉、水杉、杉木、福建柏、日本柳杉)的亲缘关系,筛选出与秃杉亲缘相近者作为异种砧木,为秃杉无性繁殖与规模化生产提供理论参考。【方法】通过NCBI下载并筛选5种柏科植物的蛋白编码序列,使用CUSP、CodonW、SPSS、MAFFT等软件分析密码子偏好性形成模式,并构建聚类树和系统发育树。【结果】5种柏科植物叶绿体密码子的A/T碱基均较多,且第3位以A/T结尾为主;有效密码子数基本高于35,密码子使用偏好性总体较弱;由中性绘图分析、ENC-plot分析、PR2-plot分析可得,密码子偏好性的形成同时受自然选择、碱基突变等多种因素影响,且自然选择是主导因素;通过相对同义密码子分析和最优密码子分析确定AAA、CCA、GCU同时为秃杉、水杉、杉木与福建柏的最优密码子,无以G/C结尾的密码子;秃杉与水杉、杉木、福建柏、日本柳杉共有的最优密码子分别为9、7、11、7个,数量上差异较小;基于相对同义密码子使用度与基于蛋白编码序列构建的进化树结构相似,基于全序列和蛋白编码序列构建的系统进化树均显示秃杉与杉木的亲缘关系最为接近。【结论】叶绿体基因组密码子偏好性可用于异砧嫁接中砧木选择方法的优化,杉木与秃杉的亲缘关系相近,推荐使用杉木作为秃杉嫁接的异种砧木。

基于叶绿体基因组变异位点的百合属(百合科)植物资源遗传多样性的分子鉴定新方法

精准鉴定遗传多样性是植物资源利用和深入开展科学研究的基础。我们利用百合属7个种的叶绿体基因组序列中的物种特有的995个核苷酸变异位点作为分子性状编制分子鉴定检索表,供试样品得到成功鉴定。物种特有变异位点的数量和核苷酸构成存在种间差异。紫斑百合Lilium nepalense (791)的特有变异位点的数量最多,随后依次为台湾百合L. Formosanum (80)、竹叶百合L. Hansonii (47)、条叶百合L. callosum(28)、垂花百合L. Cernuum (21)、野百合L. brownii(19)和卷丹L. Lancifolium (9)。紫斑百合的特有变异位点中,A (27.05%)或T (32.24%)的比例明显高于C (19.97%)或G (20.73%)。台湾百合的特有变异位点中,A (26.25%)或T(31.25%)的比例也是多于C (22.50%)或G(20.00%)。竹叶百合的特有变异位点中,A的比例(42.55%)最高,是C (8.51%)的比例的5倍,是G(14.89%)的比例的2.8倍以上;T的比例(34.04%)是C(8.51%)的比例的4倍,是G(14.89%)的比例的2.2倍以上。条叶百合的特有变异位点中,A的比例(17.86%)低于T (25.00%)、C (28.57%)或G (28.57%)。垂花百合的特有变异位点中,T的比例(47.62%)为A (19.05%)、C (19.05%)或G (14.29%)的2倍以上。野百合的特有变异位点中,A的比例(47.62%)最高,是C (5.26%)的比例的约9倍,G (15.79%)或T (31.57%)的比例分别是C的比例的约3倍和6倍。卷丹的特有变异位点中,C的比例(44.44%)为G的比例(11.11%)的约4倍。结果显示,叶绿体基因组的单核苷酸变异位点信息,可用于百合属植物资源遗传多样性的分子鉴定。调查了中国过去120多年来百合属植物标本的收集现状,讨论了存在的问题与对策。本研究对于百合属植物的分类修订、种质资源的保护和利用具有重要价值。

基于叶绿体基因组变异位点的兰属(兰科)植物资源遗传多样性的分子鉴定新方法

准确鉴定物种遗传多样性是植物资源保护和可持续利用的基础。兰属Cymbidium Sw.是单子叶植物,具有极高的观赏、药用和科研价值。由于形态特征受到发育阶段和环境条件的影响,不同学者对形态特征的理解和判断也存在差异,基于形态特征的兰属植物的鉴定存在困难。我们利用兰属的3个种的叶绿体基因组序列中的物种特有的1285个核苷酸变异位点作为分子性状编制分子鉴定检索表,成功鉴定供试样品。物种特有变异位点的数量和核苷酸构成存在种间差异。西藏虎头兰Cymbidium tracyanum L. Castle (1185)的特有变异位点的数量最多,分别是秋墨兰Cymbidium haematodes Lindl. (53)和莲瓣兰Cymbidium tortisepalum Fukuy. (47)的特有变异位点的数量的22倍和25倍。西藏虎头兰的特有变异位点中,A (31.39%)或T (30.97%)的比例明显高于C (20.08%)或G (17.55%)。莲瓣兰的特有变异位点中,A (21.28%)的比例略低于T (25.53%)、C (27.66%)或G (25.53%)的比例,T、C或G的比例差异较小。秋墨兰的特有变异位点中,C (32.08%)的比例明显高于T (18.87%)的比例,A (26.42%)和G (22.64%)的比例间于C的比例和T的比例之间,差异不大。结果显示,叶绿体基因组的单核苷酸变异位点信息,可用于兰属植物资源遗传多样性的分子鉴定。调查了中国过去120多年来兰属植物标本的收集和馆藏现状,讨论了存在的问题与对策。本研究对于兰属植物的分类修订、种质资源的保护和利用具有重要价值。

使君子科3种红树植物叶绿体基因组密码子使用偏好性分析

为探究使君子科(Combretaceae)红树植物叶绿体基因组密码子使用偏好性及其影响因子,对拉关木(Laguncularia racemosa C.F.Gaertn.)、红榄李〔Lumnitzera littorea(Jack)Voigt〕、榄李(Lumnitzera racemosa Willd.)叶绿体基因组的52个共有蛋白质编码序列(CDS)进行密码子第1、第2、第3位碱基的GC含量(分别为GC 1、GC 2、GC 3)、密码子总GC含量(GC all)、有效密码子数(ENC)和相对同义密码子使用度(RSCU)分析;在此基础上,对每种植物的GC 1、GC 2、GC 3、GC all和ENC值进行相关性分析,并对每种植物叶绿体基因组进行中性绘图、ENC-plot、PR2-plot和最优密码子分析;此外,还基于rbcL基因序列和叶绿体基因组共有CDS的RSCU值对使君子科11种植物进行聚类分析。结果表明:3种植物叶绿体基因组GC all值的均值为38.0%~38.2%,GC 1、GC 2和GC 3值的均值均低于50%,均表现为GC 1值的均值最大、GC 3值的均值最小,且GC 3值的均值明显低于GC 1和GC 2值的均值,并与二者呈不显著正相关;ENC值的均值为47.2~47.3,且3种植物叶绿体基因组中ENC值大于45的基因占比均高于70%。3种植物叶绿体基因组中的高频密码子均有29个,以A或U结尾的高频密码子占比达96.6%。中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析结果表明3种植物叶绿体基因组密码子使用偏好性主要受自然选择的影响。拉关木、红榄李和榄李叶绿体基因组的最优密码子分别有8、6和10个,且多以A或U结尾;共有最优密码子有4个,分别为CGA、AGA、GGA、ACA。聚类分析结果表明红榄李和榄李均首先聚在一起,说明二者的亲缘关系较近。综上所述,3种红树植物叶绿体基因组密码子偏好以A或U结尾,且密码子使用偏好性主要受自然选择的影响。

基于叶绿体基因组的单核苷酸多态位点的落叶松属(Larix Mill.)植物的分子鉴定新方法——以8个种/变种的分析为例

高通量测序技术可低成本获得叶绿体全基因组序列,为落叶松属植物的精确鉴定提供了可能。我们利用叶绿体全基因组中的527个单核苷酸多态位点,作为分子性状,首次精准鉴定落叶松属8个种/变种,研制了分子分类检索表。单核苷酸多态位点存在种间差异。喜马拉雅红杉(Larix himalaica W. C. Cheng & L. K. Fu)、新疆落叶松(L. sibirica Ledeb.)和欧洲落叶松(L. deciduas Mill.)的物种特有单核苷酸多态位点数量均较多,遗传分化较大。落叶松(原变种) (L. gmelinii (Rupr.) Kuzen. var. gmelinii)、黄花落叶松(L. gmelinii var. olgensis (A. Henry) Ostenf. & Syrach)、千岛落叶松(L. gmelinii var. japonica (Maxim. ex Regel) Pilg.)以及凯杨德落叶松(L. cajanderi Mayr)之间遗传差异较小。结果显示叶绿体基因组的单核苷酸多态位点信息,可用于落叶松属植物不同基因型的分子鉴定。本研究对于落叶松属植物种质资源的分类鉴定、保护和利用具有重要价值。

叶绿体介导的植物抗病毒防卫反应及病毒的反防御机制研究进展

植物拥有复杂且精密的免疫系统以识别并应对各种病原物的侵染,保护自身免受侵害。叶绿体作为高等植物特有的细胞器,不仅能通过光合作用为细胞提供碳源和能量,还是植物细胞内活性氧、钙离子信号、水杨酸和茉莉酸等免疫分子产生的重要场所。近年来,越来越多的研究表明,叶绿体介导的免疫反应在抵抗植物病毒侵染过程中发挥了重要作用。本文综述了叶绿体免疫反应在抵抗病毒侵染过程中的作用及病毒如何通过与叶绿体互作来抑制叶绿体免疫反应,展望了该领域未来的研究方向。

五加属植物叶绿体基因组特征分析

五加属植物隶属于五加科的一支,系小乔木或落叶灌木。本研究通过对7个物种五加属植物叶绿体基因组进行研究,分析了五加属植物叶绿体植物基因组结构和基因组成,并进行了五加属植物的系统发育学研究。结果表明:(1)五家属植物叶绿体基因组的结构巨头典型的四分体结构,即具有LSC区、SSC区和一对分离的IR区。(2)不同物种叶绿体基因组编码基因数量略有差异(3)五加属植物从系统发育学角度看具有较为亲缘的关系。

兰科植物叶绿体基因组研究进展

叶绿体基因组(cpDNA)中含有大量功能基因,在系统发育研究及物种识别鉴定中的应用价值已经受到研究者们的重视和认可。兰科物种数量庞大,基因多样性极高,是叶绿体基因组研究的一个热点,本文就兰科主要植物的叶绿体基因组特征、基因类型分布和序列特征、密码子偏好性以及兰科主要植物叶绿体基因组在系统发育中的应用等方面进行了综合分析,为下一步将叶绿体基因组的研究应用于兰科植物的系统发育关系、野生植物资源保护、遗传育种等方面的研究奠定基础。

芒果属植物叶绿体DNA提取方法的研究

为了探究不同提取方法对芒果属植物叶绿体DNA提取质量的影响,以芒果和扁桃的成熟叶片为材料,比较植物叶绿体DNAout试剂盒法和高盐-低p H法分离叶绿体及提取叶绿体DNA效果。结果表明:叶绿体DNAout试剂盒法能够较好地去除蛋白质、酚类、多糖等代谢物质,OD260/OD230大于2.000,OD260/OD280在1.800~1.900之间。高盐-低p H法提取叶绿体DNA产率高达75.8 ng/μL,远大于叶绿体DNAout试剂盒法提取叶绿体DNA最高产率42.8 ng/μL,2种方法所得模板电泳图和SSR标记图谱谱带完整性皆好。显微镜下观察叶绿体,2种方法都可以得到杂质少、背景清晰的叶绿体显微成像效果,但高盐-低p H法提取的叶绿体细胞器密度更高。2种方法获得的叶绿体DNA均可满足后续研究工作的需要。

秃杉素对水绵的抑制活性及叶绿体超微结构的影响

【目的】探究从秃杉Taiwania flousiana中提取得到的除草活性物质秃杉素(4-O-α-thevetopyranosyldiphyllin,TSC-3)对水生植物水绵Spirogyra communis的抑制活性和对其叶绿体的影响。【方法】采用乙醇萃取−分光光度法测定秃杉素对水绵叶绿素和类胡萝卜素的IC50。采用显微镜以及透射电镜技术观察不同质量浓度秃杉素对水绵显微结构和超微结构的影响。【结果】经秃杉素处理7 d后,水绵的类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b及总色素的IC50分别为3.41、31.50、47.34和29.30 mg·L^(−1)。秃杉素能破坏水绵细胞的细胞壁,引起细胞膜消失、叶绿体解体、类囊体完全消失、淀粉粒分散以及蛋白核降解和碎片化。【结论】秃杉素可降低水绵叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量,对类胡萝卜素的抑制较其他色素更强;秃杉素主要作用于叶绿体和细胞壁。本研究为解释植物源除草化合物秃杉素的除草机理提供了基础的理论依据,也为水生藻类的防控提供了理论依据。

植物间水平基因转移——基因交流新途径及其农业利用潜力

水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)指通过受精以外的方式进行的跨物种遗传物质传递,是原核和真核生物基因组构成的重要来源,对生物进化具有重要推动作用。近年来,基因组测序技术的发展进一步证明了植物之间存在着大量的水平基因转移事件。文章主要对国内外植物间水平基因转移的途径、转移的基因分类,以及水平基因转移在农业中的应用潜力等方面进行了综述和讨论,分析了当前植物水平基因转移研究存在的问题,并就未来基础理论研究及利用的方向作了展望。

西藏自治区入侵植物曼陀罗叶绿体基因组通用引物筛选

近年来,曼陀罗在我国呈迅速蔓延之势,已被划分为入侵植物。入侵植物会压制或排挤本地物种,破坏当地生态系统多样性。研究入侵植物的叶绿体基因组遗传多样性对了解入侵植物的入侵机制具有重要意义,而利用叶绿体基因组通用引物对叶绿体基因组进行扩增是研究叶绿体基因组遗传多样性的有效方法。为加强曼陀罗叶绿体基因组的遗传多样性、单倍型分析及谱系地理学等研究,利用查找相关文献得到的15对叶绿体基因组通用引物对曼陀罗叶绿体基因组非编码区片段进行扩增,共筛选出7对叶绿体基因组通用引物可以用于曼陀罗叶绿体基因组非编码区片段的扩增和后续的测序工作。

英国研究构建叶绿体RNA聚合酶原子模型

叶绿体中的RNA聚合酶比较独特,它拥有比蓝藻还多的亚基,转录机制也更复杂。为进一步探究叶绿体RNA聚合酶的结构,英国约翰英纳斯中心科研人员使用冷冻电镜,对从白芥菜提取出来的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像,并研究分析了其中的21个亚基等结构的作用,建立了原子水平的数据模型。该模型揭示了超氧化物歧化酶、赖氨酸甲基转移酶和氨基酸连接酶(亚基)的详细信息,为进行下一步分析各个蛋白的功能,理解叶绿体转录及其在植物生长过程中的作用机制提供了基础。相关研究成果发表在《细胞》(Cell)杂志上。

射干及类似药用植物叶绿体rbcL基因序列分析

目的 对射干Belamcandachinensis(L .)DC .,鸢尾IristectorumMaxim .,野鸢尾I .dichotomaPall.,蝴蝶花I.japonicaThunb .和德国鸢尾I.germaicaL .等 5种药用植物进行叶绿体rbcL基因序列分析 ,并对其亲缘关系进行探讨。方法 CTAB(Cetyltrimelhylammoniumbromide,CTAB)法提取总DNA ,用作者设计的引物对鸢尾科 5种药用植物的叶绿体rbcL(ribulose 1,5 bisphosphatecarboxyloseLargeGene ,rbcL)基因进行扩增 ,PCR扩增产物纯化后 ,用ABI3 10DNA自动测序仪测序。结果 获得射干和 4种鸢尾属药用植物叶绿体rbcL基因部分序列 (约 75 0bp) ,除德国鸢尾外 ,其余 4种药用植物的rbcL基因序列为首次获得 ;用clustal 8 0 ,MEGA 2 0等软件分析统计获得的目的基因片段 ,得到碱基突变点 ,遗传距离 [碱基差异数 ( 1 0 0 0～ 2 0 0 0 0 )、颠换数为 ( 0 0 0 0～ 9 0 0 0 )、转换数为 ( 0 0 0 0～ 14 0 0 0 ) ],根据rbcL基因部分序列数据建立分子系统树。结论 根据叶绿体rbcL基因序列数据可以很好的鉴别

植物基因工程新途径:叶绿体转化

在植物基因工程研究中 ,叶绿体是继核转化之后又一新的遗传转化和表达受体。叶绿体转化体系具有可同时进行多基因转化、表达原核性、超量表达、后代遗传稳定、定点整合、不会产生基因沉默及母性遗传和安全性好等特点。本文着重介绍叶绿体转化体系的特点、国内外研究动态、存在的问题及未来发展方向。

高山植物叶绿体与线粒体位置相关性研究

利用透射电镜对生长于青藏高原东北部达坂山 海拔3900m 的4种高山植物叶肉细胞进行了超微结构观察.首次在蒲公英 Taraxacummongolicum 和乳白香青 Anaphalislactea 的叶肉细胞中发现了叶绿体 吞噬 线粒体的现象.在所研究的4种高山植物中,线粒体的数量均较多,线粒体在细胞中的分布表现出不均一,且常分布在叶绿体附近,二者靠的很紧,常常可以观察到5～6个线粒体将叶绿体包围起来的现象.研究表明,高山植物叶肉细胞中叶绿体和线粒体在位置上的这种变化是对逆境的一种适应,是青藏高原特殊生态条件长期胁迫的结果.

被子植物叶绿体基因组的结构变异研究进展

叶绿体是绿色植物特有的细胞器,其基因组信息被广泛应用于植物系统发育和比较基因组学研究。目前,越来越多的物种有了叶绿体全基因组序列,人们对叶绿体基因组的结构及其变异规律有了更深入的了解。该文对近年来国内外有关被子植物叶绿体基因组插入/缺失、短片段倒位与重复、基因组结构重排以及基因丢失等结构变异式样的研究进展进行综述,并分析了叶绿体基因组结构研究中仍存在的问题以及该领域未来的发展趋势。

基于叶绿体基因组全序列分析真叶植物叶绿体基因的适应性进化

真叶植物包括蕨类、裸子植物和被子植物。迄今已积累有较为丰富的真叶植物叶绿体基因组全序列数据。选取了29种真叶植物的叶绿体基因组全序列,采用PAML软件基于位点间可变ω模型,分别分析了蕨类、裸子植物和被子植物叶绿体基因的适应性进化。结果显示:①蕨类、裸子植物和被子植物各有6.5%、7.5%和19.2%的叶绿体基因受正选择作用;被子植物经历正选择的叶绿体基因明显比蕨类和裸子植物为多;②被正选择作用的叶绿体基因主要是遗传系统和光合系统基因,它们的编码产物涉及叶绿体蛋白质合成、基因转录、能量转化与调节及光合作用等过程。推测叶绿体功能基因可能在真叶植物对陆生生态环境的适应过程中起着重要作用。