毛茛科和芍药科叶绿体基因组密码子特征和系统发育比较

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.06.006

摘要/Abstract

摘要：

为研究和比较毛茛科和芍药科叶绿体基因组密码子使用模式和系统进化关系，以完成测序的毛茛科33种植物、芍药科7种植物叶绿体基因组为材料，采用分析软件CodonW在线软件CUSP和R软件对叶绿体基因进行密码子特征分析。用MAFFT 软件，MEGA软件进行系统发育分析。研究结果表明芍药科植物叶绿体基因组和毛茛科植物（耧斗菜属除外）叶绿体基因组高频密码子一致性高，具有29个高频密码子，基本偏向与于A/U结尾，但最优密码子存在差异。毛茛科和芍药科叶绿体基因组密码子偏好性的形成因素主要受自然选择的影响，且芍药科叶绿体基因组密码子偏好性受自然选择的影响大于毛茛科。基于叶绿体基因组全序列和基于叶绿体基因组CDS序列的系统进化关系表明，芍药科基于叶绿体基因组全序列和基于叶绿体基因组CDS序列的系统进化关系虽然部分不同，但都可以被划分为芍药组和牡丹组。毛茛科基于叶绿体基因组的系统进化关系不符合中国植物志分类关系，但支持把毛茛科划分为4亚科14族。系统进化分析结果也支持芍药科独立于毛茛科和毛茛目，被划分到虎耳草目，同时证明了叶绿体基因组作为超级DNA条形码的可行性。

关键词: 毛茛科, 芍药科, 叶绿体基因组, 密码子, 系统进化

Abstract:

To clarify the codon usage pattern and phylogenetic relationship of the chloroplast genome between Ranunculaceae and Paeoniaceae， 33 species of Ranunculaceae and seven species of Paeoniaceae were used as materials， and the analysis software CodonW， online software CUSP， and R software were used to analyze the codon characteristics of chloroplast genes， while the MAFFT software， MEGA software were used for phylogenetic analysis respectively. The results showed that the chloroplast genomes of Paeoniaceae and Ranunculaceae （except Columbine） had a high consistency of high frequency codons， with 29 high frequency codons， which were basically biased towards ending with A/U， but the optimal codon were different. The codon bias of the chloroplast genome of Ranunculaceae and Paeoniaceae was mainly influenced by natural selection， and the codon bias of the chloroplast genome of Paeoniaceae was more affected by natural selection than that of Ranunculaceae. The phylogenetic relationship based on the complete chloroplast genome sequence and the CDS sequence of the chloroplast genome showed that although the phylogenetic relationship based on the complete chloroplast genome sequence and the chloroplast genome CDS sequence of Paeoniaceae was different， they could be divided into the peony group and the peony group. The phylogenetic relationship of Ranunculaceae based on the entire chloroplast genome sequence did not conform to the classification relationship of Chinese flora， but it supported the division of Ranunculaceae into four subfamilies and 14 families. The analysis results supported that Paeoniaceae were independent from Ranunculaceae and Ranunculus， and were classified into Saxifraga.

Key words: Ranunculaceae, Paeoniaceae, chloroplast genome, codons, phylogenetic

中图分类号:

S682.1+2

穆赢通, 樊东昌, 吕丽娟, 李晓杰, 路景诗, 张晓明. 毛茛科和芍药科叶绿体基因组密码子特征和系统发育比较[J]. 植物研究, 2022, 42(6): 964-975.

Yingtong MU, Dongchang FAN, Lijuan LÜ, Xiajie LI, Jingshi LU, Xiaoming ZHANG. Comparison of Codon Characteristics and Phylogeny of Chloroplast Genome between Ranunculaceae and Paeoniaceae[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(6): 964-975.

图/表 11

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参考文献 27

1	HICKEY M， KING C， WALTERS S M.100 families of flowering plants［M］.Cambridge University Press，1981.
2	努尔买买提.西天山地区毛茛科植物研究［D］.长春：东北师范大学，2013.
	NURMAMAT.The studies of family Ranunculaceae in western Tianshan Mountain in China［D］.Changchun：Northeast Normal University，2013.
3	EMADZADE K， LEHNEBACH C， LOCKHART P，et al. A molecular phylogeny，morphology and classification of genera of Ranunculeae（Ranunculaceae）［J］.TAXON，2010，59（3）：809-828.
4	刘慧杰，谢磊.毛茛科分子系统发育研究进展［J］.西北植物学报，2016，36（9）：1916-1924.
	LIU H J， XIE L.Advances in molecular phylogenetics of Ranunculaceae［J］.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2016，36（9）：1916-1924．
5	彭镇华，江守和.芍药科植物独特性与起源［J］.安徽农业大学学报，2000，27（3）：209-213.
	PENG Z H， JIANG S H.Distinctive characters and origin of Paeoniaceae［J］.Journal of Anhui Agricultural University，2000，27（3）：209-213.
6	The Angiosperm Phylogeny Group.An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants：APG Ⅳ［J］.Botanical Journal of the Linnean Society，2016，181（1）：1-20.
7	王占军，李豹，姜行舟，等.两种茶树全基因组数据的密码子偏好性比较分析［J］.中国细胞生物学学报，2018，40（12）：2028-2039.
	WANG Z J， LI B， JIANG X Z，et al.Comparative analysis of the codon preference patterns in two species of Camellia sinensis based on genome data［J］.Chinese Journal of Cell Biology，2018，40（12）：2028-2039.
8	RAO Y S， WU G Z， WANG Z F，et al.Mutation bias is the driving force of codon usage in the Gallus gallus genome［J］.DNA Research，2011，18（6）：499-512.
9	GRANTHAM R， GAUTIER C， GOUY M.Codon frequencies in 119 individual genes confirm corsistent choices of degenerate bases according to genome type［J］.Nucleic Acids Research，1980，8（9）：1893-1912.
10	IKEMURA T.Codon usage and tRNA content in unicellular and multicellular organisms［J］.Molecular Biology and Evolution，1985，2（1）：13-34.
11	DESCHAVANNE P， FILIPSKI J.Correlation of GC content with replication timing and repair mechanisms in weakly expressed E.coli genes［J］.Nucleic Acids Research，1995，23（8）：1350-1353.
12	孙铮，马亮， MURPHY R W，等. Wolbachia pipientis wMel基因组水平上的密码子使用分析［J］.中国科学C辑：生命科学，2009，39（10）：948-953.
	SUN Z， MA L， MURPHY R W，et al.Analysis of codon usage on Wolbachia pipientis wMel genome［C］.Science in China Series C：Life Sciences，2009，39（10）：948-953.
13	LYU X L， YANG Q， ZHAO F Z，et al.Codon usage and protein length-dependent feedback from translation elongation regulates translation initiation and elongation speed［J］.Nucleic Acids Research，2021，49（16）：9404-9423.
14	CLEGG M T， GAUT B S， LEARN G H JR，et al.Rates and patterns of chloroplast DNA evolution［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1994，91（15）：6795-6801.
15	HE B， DONG H， JIANG C，et al.Analysis of codon usage patterns in Ginkgo biloba reveals codon usage tendency from A/U-ending to G/C-ending［J］.Scientific Reports，2016，6：35927.
16	FUGLSANG A.Accounting for background nucleotide composition when measuring codon usage bias：brilliant idea，difficult in practice［J］.Molecular Biology and Evolution，2006，23（7）：1345-1347.
17	吴宪明，吴松锋，任大明，等.密码子偏性的分析方法及相关研究进展［J］.遗传，2007，29（4）：420-426.
	WU X M， WU S F， REN D M，et al.The analysis method and progress in the study of codon bias［J］.Hereditas，2007，29（4）：420-426.
18	LIU K， WANG R， GUO X X，et al.Comparative and phylogenetic analysis of complete chloroplast genomes in Eragrostideae （Chloridoideae，Poaceae）［J］.Plants，2021，10（1）：109.
19	WRIGHT F.The ‘effective number of codons’ used in a gene［J］.Gene，1990，87（1）：23-29.
20	SONG H， LIU J， SONG Q Y，et al.Comprehensive analysis of codon usage bias in seven Epichloë species and their peramine-coding genes［J］.Frontiers in Microbiology，2017，8：1419.
21	DURET L， MOUCHIROUD D.Expression pattern and，surprisingly，gene length shape codon usage in Caenorhabditis，Drosophila，and Arabidopsis ［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1999，96（8）：4482-4487.
22	LIU X Y， LI Y， JI K K，et al.Genome-wide codon usage pattern analysis reveals the correlation between codon usage bias and gene expression in Cuscuta australis ［J］.Genomics，2020，112（4）：2695-2702.
23	KATOH K， STANDLEY D M.MAFFT multiple sequence alignment software version 7：improvements in performance and usability［J］.Molecular Biology and Evolution，2013，30（4）：772-780.
24	COSSARD G， SANNIER J， SAUQUET H，et al.Subfamilial and tribal relationships of Ranunculaceae：evidence from eight molecular markers［J］.Plant Systematics and Evolution，2016，302（4）：419-431.
25	李巧丽，延娜，宋琼，等.鲁桑叶绿体基因组序列及特征分析［J］.植物学报，2018，53（1）：94-103.
	LI Q L， YAN N， SONG Q，et al.Complete chloroplast genome sequence and characteristics analysis of Morus multicaulis ［J］.Chinese Bulletin of Botany，2018，53（1）：94-103.
26	周承哲，朱晨，李小桢，等.茶树密码子使用偏性分析方法及其研究进展［J］.分子植物育种，2020，18（5）：1480-1488.
	ZHOU C G， ZHU C， LI X Z，et al.Codon usage bias analysis methods of Camellia sinensis and its research progress［J］.Molecular Plant Breeding，2020，18（5）：1480-1488.
27	BU Y F， WU X Y， SUN N，et al.Codon usage bias predicts the functional MYB10 gene in Populus ［J］.Journal of Plant Physiology，2021，265：153491.

科 family	编号 Code	物种 Species	大小 Length /bp	GenBank ID
芍药科 Paeoniaceae	1	Paeonia lactiflora	152 872	MN463100.1
	2	Paeonia veitchii voucher PANOSUBP20151011	152 682	NC_032401
	3	Paeonia decomposita	152 601	NC_039425.1
	4	Paeonia delavayi	152 872	MN463100.1
	5	Paeonia jishanensis voucher PJISH20180113	152 628	MG991935.1
	6	Paeonia rockii	152 821	NC_037772.1
	7	Paeonia suffruticosa	152 811	MH793271.1
毛茛科 Ranunculaceae	8	Actaea dahurica voucher ZW12-003	159 370	NC_041533.1
	9	Actaea asiatica voucher ZR11-020	159 638	NC_041525.1
	10	Adonis coerulea	157 033	MK253469.1
	11	Adonis sutchuenensis voucher SL12-053	157 603	NC_041474.1
	12	Anemone henryi	159 276	NC_039465.1
	13	Anemone reflexa voucher LY2019041111	160 910	MW043774.1
	14	Anemone taipaiensis	162 084	MK843819.1
	15	Aquilegia rockii	162 123	NC_046738.1
	16	Aquilegia barnebyi	161 954	MN882557.1
	17	Callianthemun alatavicum	156 538	MK253466.1
	18	Caltha palustris	155 325	MK253465
	19	Clematis guniuensis	159 682	NC_050373.1
	20	Clematis terniflora	159 528	KJ956785.1
	21	Delphinium anthriscifolium	155 077	MK253461.1
	22	Delphinium maackianum	154 484	MN648402.1
	23	Helleborus thibetanus	154 944	MK253456.1
	24	Isopyrum manshuricum voucher ZR11-028	151 243	NC_041541.1
	25	Nigella damascena	155 234	MN648403.1
	26	Oxygraphis glacialis voucher ZR11-016	155 434	MK569489.1
	27	Ranunculus bungei	156 082	MK253468.1
	28	Ranunculus macranthus	155 129	DQ359689.1
	29	Thalictrum foeniculaceum	155 923	MT922012.1
	30	Thalictrum minus	156 201	MK253450.1
	31	Trollius chinensis	160 191	NC_031849.1
	32	Trollius farreri	160 611	NC_050872.1
	33	Dichocarpum fargesii voucher ZR11-017	153 134	MK569485.1
	34	Dichocarpum dalzielii	153 110	MK253459.1
	35	Pulsatilla chinensis	162 052	NC_039452.1
	36	Consolida ajacis voucher DXS11-018	155 900	MK569484.1
	37	Beesia calthifolia	158 117	MK253467.1
	38	Calathodes oxycarpa voucher ZW12-004	160 415	NC_041475.1
	39	Urophysa rockii	158 512	NC_039742.1
	40	Aconitum kusnezoffii	158 122	MK253471.1

编号 Code	Codons	GC1	GC2	GC3	GCall	ENC	编号 Code	Codons	GC1	GC2	GC3	GCall	ENC
1	24 387	0.460 4	0.383 5	0.314 1	0.386 0	51.01	21	24 418	0.460 3	0.384 6	0.308 7	0.384 5	50.48
2	24 219	0.460 9	0.384 2	0.313 0	0.386 0	51.02	22	24 419	0.460 2	0.384 9	0.307 8	0.384 3	50.43
3	24 178	0.461 0	0.383 7	0.311 4	0.385 4	50.87	23	24 661	0.457 0	0.381 2	0.304 2	0.380 8	50.27
4	24 179	0.461 3	0.383 8	0.313 2	0.386 1	51.06	24	23 950	0.473 2	0.383 7	0.333 5	0.396 8	52.26
5	24 471	0.460 7	0.383 2	0.311 9	0.385 3	50.88	25	24 359	0.470 6	0.385 7	0.321 6	0.392 7	51.63
6	24 053	0.433 6	0.400 4	0.322 7	0.385 6	51.67	26	24 431	0.458 4	0.381 4	0.303 8	0.381 2	50.24
7	24 791	0.459 8	0.382 2	0.313 5	0.385 1	50.95	27	24 780	0.459 6	0.382 2	0.303 7	0.381 9	50.22
8	24 807	0.461 0	0.384 9	0.314 3	0.386 7	51.02	28	24 696	0.458 4	0.381 8	0.305 6	0.381 9	50.44
9	24 803	0.461 2	0.385 0	0.314 7	0.386 9	51.05	29	24 810	0.460 1	0.384 2	0.312 7	0.385 7	50.85
10	24 623	0.458 1	0.384 4	0.303 2	0.381 9	50.15	30	24 557	0.461 7	0.384 9	0.314 5	0.387 0	50.99
11	24 498	0.458 5	0.384 3	0.303 9	0.382 3	50.18	31	24 700	0.459 1	0.384 5	0.307 2	0.383 6	50.44
12	25 900	0.458 1	0.381 9	0.307 3	0.382 4	50.49	32	24 708	0.459 4	0.384 2	0.307 1	0.383 6	50.43
13	25 577	0.458 4	0.383 4	0.305 0	0.382 3	50.36	33	24 765	0.460 4	0.385 5	0.311 4	0.385 8	50.83
14	25 010	0.457 9	0.381 7	0.303 2	0.380 9	50.23	34	24 652	0.459 4	0.385 1	0.308 2	0.384 2	50.45
15	23 729	0.471 2	0.386 9	0.323 9	0.394 0	57.56	35	24 507	0.463 5	0.383 4	0.309 2	0.385 3	50.55
16	23 927	0.397 4	0.430 5	0.350 4	0.392 8	53.10	36	24 769	0.459 4	0.383 9	0.310 8	0.384 7	50.75
17	24 747	0.457 9	0.383 7	0.306 0	0.382 5	50.37	37	24 741	0.459 7	0.384 1	0.310 7	0.384 8	50.74
18	24 848	0.459 4	0.383 7	0.306 3	0.383 1	50.50	38	25 328	0.455 5	0.379 9	0.306 6	0.380 7	50.55
19	24 973	0.459 1	0.381 5	0.306 7	0.382 4	50.49	39	24 688	0.464 9	0.388 5	0.326 4	0.393 3	51.92
20	25 537	0.460 1	0.383 1	0.306 7	0.383 3	50.48	40	24 445	0.461 2	0.384 2	0.306 8	0.384 1	50.29

	R						F		L						I			M	V				S						Y		C		Q		E		H		G				N		K		P				T				W	A
	AGA	AGG	CGU	CGC	CGA	CGG	UUU	UUC	UUA	UUG	CUU	CUC	CUA	CUG	AUU	AUC	AUA	AUG	GUU	GUA	GUC	GUG	UCU	UCC	UCA	UCG	AGU	AGC	UAU	UAC	UGU	UGC	CAA	CAG	GAA	GAG	CAU	CAC	GGU	GGC	GGA	GGG	AAU	AAC	AAA	AAG	CCU	CCC	CCA	CCG	ACU	ACA	ACC	ACG	UGG	GCU	GCC	GCA	GCG
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编号 No.	R						F		L						I			M	V				S						Y		C		Q		E		H		G				N		K		P				T				W	A
编号 No.	AGA	AGG	CGU	CGC	CGA	CGG	UUU	UUC	UUA	UUG	CUU	CUC	CUA	CUG	AUU	AUC	AUA	AUG	GUU	GUA	GUC	GUG	UCU	UCC	UCA	UCG	AGU	AGC	UAU	UAC	UGU	UGC	CAA	CAG	GAA	GAG	CAU	CAC	GGU	GGC	GGA	GGG	AAU	AAC	AAA	AAG	CCU	CCC	CCA	CCG	ACU	ACA	ACC	ACG	UGG	GCU	GCC	GCA	GCG
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38
39
40

[1]	王飞, 赵文植, 董章宏, 马路遥, 李卫英, 李宗艳, 辛培尧. 丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析[J]. 植物研究, 2023, 43(1): 109-119.
[2]	芦永昌, 张鑫, 张璐燕, 王久利. 辽东丁香完整叶绿体基因组的结构与特征[J]. 植物研究, 2023, 43(1): 120-130.
[3]	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.
[4]	夏铭泽, 张发起, 迟晓峰, 韩霜, 陈世龙. 梅花草属叶绿体基因组进化分析[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 626-636.
[5]	杨晨, 姚雪莹, 陈志祥, 王奇志. 红花变豆菜叶绿体基因组结构及同属种间关系研究[J]. 植物研究, 2022, 42(3): 437-445.
[6]	苏丹丹, 刘玉萍, 刘涛, 郑长远, 张雨, 王亚男, 秦娜, 苏旭. 苦马豆叶绿体基因组结构及其特征分析[J]. 植物研究, 2022, 42(3): 446-454.
[7]	王文采. 翠雀花属一新种和一新变种[J]. 植物研究, 2021, 41(2): 161-163.
[8]	王文采, 杨宗宗. 新疆翠雀花属二新种[J]. 植物研究, 2020, 40(6): 801-804.
[9]	李翔, 范作义, 王井源, 王淇, 李喜鹏, 王德秋, 孔令远, 曹森林, 孟庆刚, 赵曦阳. 红松查尔酮合成酶基因CHS密码子偏好性分析[J]. 植物研究, 2020, 40(3): 447-457.
[10]	王文采. 四川乌头属二新种[J]. 植物研究, 2020, 40(1): 1-4.
[11]	王文采. 四川唐松草属三新种[J]. 植物研究, 2020, 40(1): 5-9.
[12]	任路明, 陈学林. 软毛翠雀花(毛茛科)地理分布的订正[J]. 植物研究, 2020, 40(1): 15-17.
[13]	段义忠, 杜忠毓, 王海涛. 西北干旱区孑遗濒危植物四合木(Tetraena mongolica)叶绿体基因组特征研究及比较分析[J]. 植物研究, 2019, 39(5): 653-663.
[14]	王文采. 庐江毛茛,安徽毛茛科一新种[J]. 植物研究, 2018, 38(6): 801-803.
[15]	王文采. 西藏翠雀花属七新种[J]. 植物研究, 2018, 38(6): 809-819.