喜马红景天叶绿体基因组特征及其系统发育分析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.04.010

植物研究 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (4): 602-612.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2022.04.010

喜马红景天叶绿体基因组特征及其系统发育分析

张雨¹^,², 苏旭¹^,²^,³, 刘玉萍¹^,²(), 刘涛¹^,², 郑长远¹^,², 苏丹丹¹^,², 王亚男¹^,², 吕婷¹^,²

^1.青海师范大学生命科学学院，西宁 810008
^2.青海师范大学青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室，西宁 810008
^3.青海师范大学高原科学与可持续发展研究院，西宁 810016

收稿日期:2021-07-21 出版日期:2022-07-20 发布日期:2022-07-15
通讯作者: 刘玉萍 E-mail:lyp8527970@126.com
作者简介:张雨（1998—），女，硕士研究生，主要从事高山植物遗传多样性与系统进化方向研究。
基金资助:
科技基础资源调查专项项目(2017FY100202-02);祁连山国家公园青海研究中心开放课题;青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室项目(2020-ZJ-Y40)

Characteristics of Complete Chloroplast Genome and Phylogenetic Analysis of Rhodiola himalensis (Crassulaceae)

Yu ZHANG¹^,², Xu SU¹^,²^,³, Yuping LIU¹^,²(), Tao LIU¹^,², Changyuan ZHENG¹^,², Dandan SU¹^,², Yanan WANG¹^,², Ting LÜ¹^,²

^1.School of Life Science，Qinghai Normal University，Xining 810008
^2.Key Laboratory of Medicinal Animal and Plant Resources of the Qinghai-Tibet Plateau in Qinghai Province，Qinghai Normal University，Xining 810008
^2.Academy of Plateau Science and Sustainability，Qinghai Normal University，Xining 810016

Received:2021-07-21 Online:2022-07-20 Published:2022-07-15
Contact: Yuping LIU E-mail:lyp8527970@126.com
About author:ZHANG Yu（1998—），female，postgraduate，mainly engaged in the study of genetic diversity and systematic evolution of alpine plants.
Supported by:
Special Project for Scientific-Technological Basic Resource Investigation(2017FY100202-02);Open Project from Qinghai Research Center of Qilian Mountain National Park;Key Laboratory of Medicinal Animal and Plant Resources of Qinghai-Tibet Plateau in Qinghai Province(2020-ZJ-Y40)

摘要/Abstract

摘要：

以青藏高原特有药用植物——喜马红景天（Rhodiola himalensis）为试验材料，利用高通量测序技术对喜马红景天进行叶绿体基因组测序、组装和注释，获得完整的叶绿体基因组。结果显示：喜马红景天叶绿体基因组全长为151 074 bp，GC含量为37.8%，具有1个长单拷贝区、1个短单拷贝区和1对反向重复区的典型四分体结构，其序列长度分别为82 309、17 017、25 874 bp；叶绿体基因组共编码130个基因，其中编码蛋白的基因86个、编码tRNA的基因37个、编码rRNA的基因7个；叶绿体基因组共检测出25 513个密码子，其中编码亮氨酸（Leu）的密码子占比最大；喜马红景天IRa和IRb区的rps19和ycf1基因缺失，长单拷贝区的trnH基因收缩；喜马红景天与圣地红景天（R. sacra）亲缘关系最近；短单拷贝区域的单核苷酸多态性（SNP）变异频率最高。本研究报道了喜马红景天的叶绿体基因组，并对其进行了组装、注释和序列分析，为今后开展喜马红景天的遗传多样性研究和合理开发利用提供理论依据。

关键词: 叶绿体基因组, 系统发育, 简单重复序列, IR区边界分析, 喜马红景天

Abstract:

The complete chloroplast genome of Rhodiola himalensis was sequenced， assembled and annotated using high-throughput sequencing technology， and R. himalensis was used as material， an endemic medical species to the Qinghai-Tibet Plateau. The results showed that the complete chloroplast genome of R. himalensis was 151 074 bp in length with a GC content of 37.8%. It had a typical tetrad structure with a long single copy region， a short single copy region and a pair of inverted repeat regions， and the sequence length of them was 82 309， 17 017 and 25 875 bp， respectively. The complete chloroplast genome encoded 130 genes， including 86 protein coding genes， 37 tRNA genes and seven rRNA genes. Based on the chloroplast genome of R. himalensis， a total of 25 513 codons was detected， among which the largest proportion of codons was Leu. In the IRa and IRb regions of R. himalensis， the gene of rps19 and ycf1 was deletion， and the gene of trnH in LSC region was contraction. And R. himalensis and R. sacra had the closest genetic relationship were also found. Besides， the variation frequency of single nucleotide polymorphism（SNP） was the highest within the SSC region. The complete chloroplast genome of R. himalensis was reported， assembled， annotated and analyzed， which could provide the theoretical basis for the study of genetic diversity and rational development and utilization of R. himalensis in the future.

Key words: chloroplast genome, phylogeny, simple sequence repeat, boundary analysis of IR region, Rhodiola himalensis

中图分类号:

Q949.4

张雨, 苏旭, 刘玉萍, 刘涛, 郑长远, 苏丹丹, 王亚男, 吕婷. 喜马红景天叶绿体基因组特征及其系统发育分析[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 602-612.

Yu ZHANG, Xu SU, Yuping LIU, Tao LIU, Changyuan ZHENG, Dandan SU, Yanan WANG, Ting LÜ. Characteristics of Complete Chloroplast Genome and Phylogenetic Analysis of Rhodiola himalensis (Crassulaceae)[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(4): 602-612.

图/表 10

图1

表1

表2

喜马红景天叶绿体基因组注释信息

基因类别

Gene category

基因分组

Gene group

基因名称

Gene name

光合作用基因

Genes for photosynthesis

光系统 Ⅰ 亚基

Subunits of photosystem Ⅰ

psaA、psaB、psaC、psaI、psaJ

光系统 Ⅱ 亚基

Subunits of photosystem Ⅱ

psbA、psbB、psbC、psbD、psbE、psbF、psbH、psbI、psbJ、

psbK、psbL、psbM、psbN、psbT、psbZ

细胞色素b/f复合体亚基

Subunit of cytochrome b/f complex

PetA、petB^a 、petD^a 、petG、petL、petN

ATP合成酶亚基

Subunits of ATP synthase

atpA、atpB、atpE、atpF^a、atpH、atpI

NADH脱氢酶亚基

Subunits of NADH dehydrogenase

ndhA^a、ndhB^ac、ndhC、ndhD、ndhE、ndhF、ndhG、

ndhH、ndhI、ndhG、ndhK

二磷酸核酮糖羧化酶大亚基

Large subunit of Rubisco

rbcL

ATP依赖蛋白酶亚基P基因

ATP-dependent protease subunit P

clpP^b

自我复制基因

Self replication

DNA依赖性RNA聚合酶

DNA dependent RNA polymerase

rpoA、rpoB、rpoC1^a、rpoC2

核糖体小亚基

Small subunit of ribosome

rps2、rps3、rps4、rps7^c、rps8、rps11、rps12^d*、rps14、

rps15、rps16^a、rps18、rps19

核糖体大亚基

Large subunit of ribosome

rpl2^ac、rpl14、rpl16、rpl20、rpl22、rpl23^c、rpl32、

rpl33、rpl36

转运RNA

Transfer RNA gene

trnA-UGC^ac、trnC-GCA、trnD-GUC、trnE-UUC、trnF-GAA、trnG-GCC、trnG-UCC、trnH-GUG、trnI-CAU^c、trnI-GAU^ac、trnK-UUU^a、trnL-CAA^c、trnL-UAA^a、trnL-UAG、trnM-CAU、trnN-GUU^c、trnP-UGG、trnQ-UUG、trnR-ACG^c、trnR-UCU、trnS-GCU、trnS-GGA、trnS-UGA、trnT-GGU、trnT-UGU、trnV-GAC^c、trnV-UAC^a、trnW-CCA、trnY-GUA、trnfM-CAU

核糖体RNA

Ribosomal RNA gene

rrn4.5^c、rrn5^c、rrn16^c、rrn23

翻译起始因子

Translation initiation factor

infA

其他基因

Other genes

成熟酶

Maturase

matK

包膜蛋白

Envelop membrane protein

cemA

c型细胞色素合成基因

c-type cytochrome synthesis gene

ccsA

乙酰辅酶A羧化酶亚基

Submit of acetyl-CoA-carboxylase

accD

未知功能基因

Genes of unknown function

开放阅读框

Conserved open reading frame

ycf1、ycf2^c、ycf3^b、ycf4

表2

表3

图2

表4

表5

图3

图4

表6

参考文献 41

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区域 Area	A /%	C /%	G /%	T/U /%	长度 Length /bp	GC /%
LSC	31.5	18.4	17.3	32.7	82 309	35.7
SSC	34.5	16.5	15.3	33.7	17 017	31.8
IRa	28.7	20.7	22.2	28.4	25 874	42.9
IRb	28.7	20.7	22.2	28.4	25 874	42.9
合计Total	30.9	19.0	18.8	31.3	151 075	37.8

氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	数量 Number	RSCU	使用频率 Ratio /%	氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	数量 Number	RSCU	使用频率 Ratio /%
Phe	UUU	956	1.33	5.62	Ala	GCU	603	1.79	5.27
Phe	UUC	477	0.67	5.62		GCC	202	0.60
Leu	UUA	869	1.92	10.67		GCA	401	1.19
	UUG	531	1.17			GCG	139	0.41
	CUU	591	1.30		TER^*	UAA	39	1.70	0.27
	CUC	171	0.38			UAG	16	0.70
	CUA	390	0.86			UGA	14	0.61
	CUG	169	0.37		His	CAU	484	1.53	2.48
Ile	AUU	1 043	1.46	8.43	His	CAC	149	0.47	2.48
	AUC	425	0.59		Gln	CAA	696	1.54	3.55
	AUA	682	0.95		Gln	CAG	210	0.46	3.55
Met	AUG	613	1.00	2.40	Asn	AAU	937	1.51	4.86
Val	GUU	520	1.51	5.39	Asn	AAC	302	0.49	4.86
	GUC	162	0.47		Lys	AAA	1 044	1.51	5.41
	GUA	505	1.47		Lys	AAG	335	0.49	5.41
	GUG	187	0.54		Asp	GAU	835	1.59	4.11
Ser	UCU	559	1.68	7.81	Asp	GAC	214	0.41	4.11
	UCC	316	0.95		Glu	GAA	1 014	1.51	5.27
	UCA	402	1.21		Glu	GAG	330	0.49	5.27
	UCG	193	0.58		Cys	UGU	211	1.45	1.14
	AGU	403	1.21		Cys	UGC	81	0.55	1.14
	AGC	119	0.36		Trp	UGG	450	1.00	1.76
Pro	CCU	403	1.53	4.13	Arg	CGU	344	1.37	5.92
	CCC	212	0.81			CGC	91	0.36
	CCA	290	1.10			CGA	355	1.41
	CCG	148	0.56			CGG	110	0.44
Thr	ACU	549	1.71	5.02		AGA	447	1.77
	ACC	212	0.66			AGG	164	0.65
	ACA	386	1.20		Gly	GGU	579	1.33	6.84
	ACG	135	0.42			GGC	162	0.37
Tyr	UAU	762	1.64	3.65		GGA	699	1.60
Tyr	UAC	170	0.36	3.65		GGG	306	0.70

编号 No.	SSR类型 SSR type	SSR	大小 Size	起始 Start	终止 End	位置 Location
1	P1	T（11）	11	2 159	2 169	CDS（matK）
2	P1	T（10）	10	3 762	3 771	Intron（trnK-UUU）
3	P1	（A）10	10	5 231	5 240	Intron（rps16）
4	P1	A（11）	11	7 536	7 546	IGS
5	P1	（T）12	12	8 161	8 172	IGS
6	P1	（T）15	15	9 137	9 151	Intron（trnG-GCC）
7	C	（TA）7ttatatattaatatatttctatttaatatatatagatt（TA）12	76	9 369	9 444	IGS
8	P1	（T）10	10	12 061	12 070	CDS（atpF）
9	P1	（A）12	12	15 624	15 635	IGS
10	P1	（T）11	11	17 841	17 851	CDS（rpoC2）
11	P1	（T）11	11	22 005	22 015	CDS（rpoC1）
12	P1	（T）10	10	26 932	26 941	IGS
13	P1	（A）14	14	27 103	27 116	IGS
14	P1	（T）11	11	29 349	29 359	IGS
15	P1	（A）10	10	31 963	31 972	IGS
16	P1	（T）12	12	32 262	32 273	IGS
17	P1	（A）11	11	36 504	36 514	IGS
18	P1	（A）12	12	57 371	57 382	CDS（accD）
19	P2	（TA）6	12	57 830	57 841	IGS
20	P1	（A）10	10	58 230	58 239	IGS
21	P1	（T）11	11	59 093	59 103	IGS
22	P1	（A）11	11	61 422	61 432	IGS
23	P1	（T）11	11	64 766	64 776	IGS
24	P1	（T）10	10	65 122	65 131	IGS
25	P1	（T）11	11	65 794	65 804	IGS
26	P1	（A）10	10	73 561	73 570	Intron（petB）
27	P1	（A）10	10	79 265	79 274	IGS
28	P1	（T）12	12	80 743	80 754	Intron（rpl16）
29	P1	（T）12	12	81 664	81 675	IGS
30	P1	（T）10	10	100 712	100 721	Intron（trnI-GAU）
31	P1	（A）10	10	108 440	108 449	CDS（ndhF）
32	P1	（T）12	12	108 910	108 921	CDS（ndhF）
33	P1	（A）10	10	112 719	112 728	IGS
34	P1	（A）10	10	114 523	114 532	IGS
35	P1	（T）10	10	116 247	116 256	CDS（ndhG）
36	P2	（AT）7	14	117 832	117 845	Intron（ndhA）
37	P1	（A）10	10	122 439	122 448	CDS（ycf1）
38	C	（T）14gattcaaaatcaaaaaaaagttgtcccttgatccttattatattaataactaggacgatagcaatgtatattctttc（A）11	102	123 070	123 171	CDS（ycf1）
39	P1	（A）11	11	123 629	123 639	CDS（ycf1）
40	P1	（T）10	10	123 763	123 772	CDS（ycf1
41	P1	（A）11	11	125 092	125 102	CDS（ycf1）
42	P1	（A）10	10	132 664	132 673	Intron（trnI-GAU）

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喜马红景天叶绿体基因组特征及其系统发育分析

Characteristics of Complete Chloroplast Genome and Phylogenetic Analysis of Rhodiola himalensis (Crassulaceae)

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重复单元 Repeat unit	类型 Type	数量 Number	最大重复 Largest repeat
1	A	19	14
1	T	21	15
2	AT	1	7
2	TA	3	12
总计Total	4	44	—