蜡梅科叶绿体基因组进化及被子植物高变叶绿体基因标记开发与应用

【摘要】：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比较基因组学和植物系统发育研究。本研究主要通过分析蜡梅科叶绿体基因组的进化,探讨被子植物叶绿体基因组插入/缺欠、短片段倒位与重复等微结构变异式样,同时在不同分类水平上探讨蜡梅科叶绿体基因组序列分化。另外,目前植物分子系统学研究的主要困境是分子标记的信息量不足。因此,本文第二部分拟在叶绿体基因组标记开发上做些深入的研究。 1蜡梅科比较叶绿体基因组研究 蜡梅科属于樟目的一个小科,约10个种,包含蜡梅亚科和椅子树亚科两个亚科,约3-4个属。其系统发育关系比较明确,因此可以用来探讨叶绿体基因组序列分化及基因组结构进化的方向。本研究中,共测得4个蜡梅科叶绿体基因组,加上已经发表的美国蜡梅叶绿体基因组,在亚科、属间、种间不同分类等级上系统分析叶绿体基因组变异。 蜡梅科叶绿体基因组大小为153250-154746bp,共编码113个基因。椅子树亚科和蜡梅亚科有明显的序列分化,分化程度为0.0175(π)。虽然美国蜡梅内部两个物种比蜡梅属两个物种的分化时间早,但是其叶绿体基因组序列分化相差不大。叶绿体基因组中发生最多的微结构变化是插入和缺失,插入和缺失随着片段的增大,发生的概率明显下降,并且具有缺失的偏向性。重复也是叶绿体基因组常见的微结构变化形式,发生的短片段重复多为3-5个碱基。蜡梅科叶绿体基因组共检测到8次倒位事件,其中有两次独立的出现在美国蜡梅属和蜡梅属中,造成这种现象的内部机制仍需要进一步探究。基因组的编码区碱基替换速率与基因的功能有很大的相关性,结果显示与光合作用相关的基因进化速率普遍偏低。ycf1是蜡梅科叶绿体基因组中进化速率最快的基因。 2高变叶绿体基因标记开发 目前,叶绿体基因片段被广泛的用于植物系统发育和DNA条形码研究。但是目前普遍使用的一些叶绿体基因标记在被子植物较低的分类等级中提供的信息量不足,不能实现近缘物种的系统发育关系重建和DNA条形码鉴定。因此本研究拟利用比较近缘叶绿体基因组的方法,开发合适的叶绿体基因标记。 首先从Genbank下载9个属的数据和自己测定的3个属共12个属的叶绿体基因组,然后通过比较叶绿体基因组选取其中5%多态性比较高的片段作为候选片段,最后选取有三个以上属支持的片段,共开发23个位点。23个位点包括4个编码区,2个内含子区,17个基因间隔区片段。23个片段的分辨率由高到底的顺序为ycfl-a、trnK, rpl32-trnL、trnH-psbA、trnsUGA-trnGUCC、petA-psbJ、 rps16-trnQ、ndhC-trnV、ycf1-b、ndhF、rpoB-trnC、psbE-petL、rbcL-accD、 trnSUGA-trnGUCC、trnT-psbD、trnW-psaJ。其中有些片段对于近缘类群的系统发育关系和DNA条形码有很强利用能力。其中accD-psaI、rbcL-accD、rpl32-trnL、 rps16-trnQ、ycfl几个片段在一些类群中丢失。对其中的21个片段设计通用引物,经过验证引物通用性良好。利用其中的petN-psbM基因间隔区和clpP内含子区成功的建立桃类植物的系统发育关系。 研究表明,叶绿体基因组存在高变区。这些高变叶绿体基因片段是第一次被详细鉴别。并且这些片段可以很好的解决种间或是属内的系统发育关系和DNA条形码鉴定。