叶绿体基因组 | “引领”遗传资源开发新模式

近年来，植物叶绿体基因组SSR（gSSR）遗传资源标记的开发检测到了更高水平的多态性而引起更多关注，为更全面地了解东亚人口、分歧历史以及气候变化的影响提供了理想的模型。

选取虎耳草科近源的2种独草根属（Oresitrophe）和1种槭叶草属（Mukdenia）植物为研究对象，测序并获取叶绿体基因组。

三个样品的完整叶绿体基因组基本信息如下表，包含由LSC（87,496-87,604bp）和SSC（18,222-18,342bp）区域分开的两个IR拷贝（25,507-25,519bp）。编码相同的131个基因组，其中113个是独特的，18个在IR区域中重复。113个独特的基因包含79个蛋白质编码基因，30个tRNA基因和4个rRNA基因。14个含有一个内含子（6个tRNA基因和8个蛋白质编码基因），3个含有两个内含子（rps12,clpP,ycf3）。 rps12基因的5'-末端外显子位于LSC区域，基因的内含子和3'-末端外显子位于IR区域。

五种虎耳草叶绿体基因组相对保守，基因组没有重排（下图）；与其他叶绿体基因组相比，叶绿体基因组较小；rps16内含子从Penthorum chinense参考基因组中丢失，M. rossii和O. rupifraga中rpl2内含子丢失。 此外，IR区域在这些物种中比LSC和SSC区域更保守。

LSC / IRB，IRB / SSC，SSC / IRA和IRA / LSC的边界区域代表高度可变的区域，在密切相关的物种cpDNA中有许多核苷酸变化。因此，我们比较了五种虎耳草叶绿体基因组和参考基因组之间的IR边界位置及其相邻基因（下图）。结果表明，IR区域在这些物种中比LSC和SSC区域更保守。推测，具有更接近系统发育关系的物种将具有更多相似的边界特征。

O. rupifraga-BJCP cpDNA中共鉴定出58个gSSRs。其中，44个位于LSC区域，而8个和6个分别位于IR和SSC区域（下图a）。 在这些SSR中，43个mono-，11个di-，4个tetra-（下图b）。在O. rupifraga和M. rossii的叶绿体基因组中，分别检测到15和17个正向重复序列序列（>30bp），3个叶绿体基因组中都检测到17个回文重复序列（下图c）。在cpDNA中同事检测到60bp、61bp、62bp和79bp长重复序列（下图d）。

热点区域将为随后的Oresitrophe和Mukdenia的系统地理学和分化历史研究提供重要的遗传信息。

比较Oresitrophe和Mukdenia编码基因，非编码区和内含子区域分歧热点。OresitrophecpDNA中检测到116个位点（47个编码基因，53个基因间隔区和16个内含子区域），Mukdenia产生了72个位点（20个编码基因，40个基因间隔区和12个内含子区域）。核苷酸变异性（Pi）值显示IR区比LSC和SSC区更加保守，显示出高水平的属间和属间变异（下图）。

叶绿体基因组具有古老的遗传模式，对进化过程具有独特见解，cpSSR基因座通常分布在整个非编码区域，其序列变异高于编码区，cpSSR标记可用于揭示群体遗传变异和系统地理学模式。

在Oresitrophe和Mukdenia中共鉴定出242个候选多态性gSSR。筛选后获得126个多态性gSSR，两个属之间的标准偏差范围为0.47至4.00（下图）。

为了研究SSR的可转移性，研究人员选择了12对候选polySSRs引物和6个群体，用于M. rossii检测引物扩增的有效性并初步评估遗传变异。计算两个物种的遗传多样性参数。结果显示，多态性信息含量范围为0.030-0.778，等位基因数量范围为2-11，观察到的杂合性和预期杂合度分别为0.031-1.000和0.031-0.825。在K = 2时，根据不同的物种将所有六个群体分成两个群集（下图a）。此外，对于K = 3，4个O. rupifraga种群进一步分成两个群集，其中HBQL，TJLX和BJCP分配到一个群集中，HNYD分成第二群集（下图b）。

通过结构分析检测到的Mukdenia rossii和Oresitrophe rupifraga中基因库的成员概率和地理分布：K = 2（a）和K = 3（b）。 每个垂直条代表一个个体（N = 47），种群由东北到中国的收集地点排列。

【参考文献】

Chloroplast genome analyses and genomic resource development for epilithic sister genera Oresitrophe and Mukdenia (Saxifragaceae), using genome skimming data. BMC Genomics, 2018.