细胞器基因组专刊（二）近源属的叶绿体基因组比较研究

叶绿体基因组（cpDNA），在大多数被子植物中存在母系遗传的现象。相较于核基因组和线粒体基因组，cpDNA在基因构成、组织和结构等方面更加趋于保守，核苷酸取代率也较低，因而被普遍应用于基因组进化、基因组大小变异等方向的研究。

今天，就给大家分享一篇叶绿体基因组研究文献。该研究从近源属的低深度基因组数据中组装出了叶绿体基因组，并开展了比较基因组研究，重点关注了以下几个问题：

利用低深度基因组数据对虎耳草科近源属Oresitrophe和Mukdenia进行叶绿体基因组分析及基因资源开发。

虎耳草科两个近源属Oresitrophe和Mukdenia共同分布在东南亚的岩石栖息环境（岩石斜坡），这使其成为更全面了解东亚种群和分化历史及气候变化影响的理想模型。然后，针对这两个物种的基因组背景及资源信息却知之甚少。在本研究中，针对两个Oresitropherupifraga和一个Mukdeniarossii个体进行了基因组测序（PE150）。

1.研究从低深度基因组数据中组装出0N，0gap水平的完整的叶绿体基因组，并进行了每个样本叶绿体基因组的特征描述（Table 1），绘制出每个样本的基因组圈图（Fig.1）。研究发现，虎耳草科的这三株植物的叶绿体基因组大小在156，738bp到156.960bp之间，具有保守的基因组序列及典型的叶绿体基因组结构（LSC+IR+SSC+IR）。叶绿体基因组含有131个编码基因（Table 2）

2. 虎耳草叶绿体基因组比较分析

将本研究中的三株虎耳草叶绿体基因组和已发表的其他两种虎耳草Heucheraparviflora和Tiarellapolyphylla的叶绿体基因组进行比较分析，发现五株虎耳草的叶绿体基因组相对保守（Fig.2），未发现基因组织重排（Fig.3），仅在基因组大小，内含子缺失及IR扩张和收缩等方面存在一定差异。

从叶绿体基因组大小看，虎耳草科的代表物种M.rossii和O.rupifraga基因组大小比较接近，其他两个虎耳草科的H.parviflora和T.polyphylla的叶绿体基因组较小（分别为154,696bp &154,850bp）。和参考物种Penthotumchinense相比，研究的五株虎耳草中缺少了rpl2基因唯一的内含子；而五株植物中出现的rps16内含子在参考物种中缺失。研究还界定了叶绿体基因组的IR区范围及附近的基因，阐述了参考物种和5株虎耳草叶绿体基因组的IR区差异（Fig.4）。

3. 叶绿体基因组中的重复序列和热点区域

研究中对M. rossii和O. rupifraga的叶绿体基因组中微卫星的类型、分布和存在情况进行了细致描述。此外，在蛋白编码区、内含子及基因间隔区还开发出一些SSR（Fig.5）。

针对基因区，非编码区和内含子区进行了热点差异比较。在O. rupifraga属内发掘出72个loci，M. rossii和O. rupifraga之间发掘出116个loci。比较发现，相较于LSC和SSC,IR区域更为保守。基于比较分析，在Oresitrophe和Mukdenia之间鉴定出7个叶绿体热点区域（trnH-psbA, trnR-atpA, atpI-rps2, rps2-rpoC2,petN-psbM, rps4-trnT and rpl33-rps18），同时在Oresitrophe属内，鉴定出四个热点（trnQ-psbK, trnR-atpA,trnS-psbZ and rpl33-rps18）（Fig.6）证实了高水平的属间和属内差异性。

4.SSR的开发和验证

在Oresitrophe和Mukdenia中共鉴定出242个候选多态gSSRs，筛选后保留下126个属间多态gSSRs标记（Fig.7）和Oresitrophe属内多态gSSR标记（Table 3）。随机选择了12个属间gSSRs验证表明这两个属之间具有显著的遗传结构。

在种群结构分析中，发现K值很难确定。假设K=2时，6个种群可以被分为2个类群（Fig.8a）；但K=3时，O.rupifraga被进一步划分为两个群：分别是HBQL,TJLX和BJCP构成的一大类群和HNYD构成的另一群集。（Fig.8b）

在本研究中，基于对Oresitropherupifraga和Mukdeniarossii基因组低深度数据，不仅组装出了全部叶绿体基因组，开发出丰富的遗传标记信息（cp热点，cpSSRs，多态性gSSRs），还重点关注了虎耳草科近源属之间的基因组进化。本研究揭示的基因组模式和遗传资源信息将有助于进一步研究虎耳草科植物的种群遗传，系统发育和保护生物学。