柽柳科植物叶绿体基因组结构特征和系统发育

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2025.06.005

摘要/Abstract

摘要：

叶绿体基因组结构特征能够反映植物类群间的系统发育和进化关系。该研究通过Illumina高通量测序平台对7种柽柳科（Tamaricaceae）植物叶绿体基因组进行测序和组装，并与已发表的柽柳科及其近缘种叶绿体基因信息结合，分析其叶绿体基因组序列变异、结构特征、蛋白编码基因密码子偏好性和系统发育。结果显示：10种柽柳科植物叶绿体基因组结构均为四分体结构，全长为154 684~156 178 bp；叶绿体基因组组成相似，约130个基因，非重复基因约111个；GC含量和密码子使用偏好性均与典型的被子植物叶绿体基因组类似，检测到27~54个简单重复序列（SSR）位点，SSR位点偏向于A或T组成；系统发育分析结果支持将甘蒙柽柳（Tamarix austromongolica）、秀柏枝（Myrtama elegans）归入水柏枝属（Myricaria）。以上研究结果表明，10种柽柳科植物叶绿体基因组结构特征相似，部分物种存在差异，这可为分析柽柳科植物系统发育关系和鉴定提供依据。

关键词: 柽柳科, 叶绿体基因组, 序列特征, 系统发育

Abstract:

Structural characteristics of chloroplast genome could reflect the phylogenetic and evolutionary relationships among plants. In this study， the chloroplast genomes of seven species from Tamaricaceae were sequenced and assembled by the Illumina HiSeq platform. Combined with published chloroplast genome sequences from Tamaricaceae and its allies， we conducted comparative analyses of chloroplast genome sequence variation， structural characteristics， relative synonymous codon usage of protein-coding genes， and phylogenetic relationships. The results showed that the ten chloroplast genomes of Tamaricaceae exhibited a quadripartite structure， with a total length ranging from 154 684 bp to 156 178 bp. These chloroplast genomes contained approximately 130 protein coding genes， including 111 non-redundant genes. The GC content and relative synonymous codon usage（RSCU） were consistent with those of typical angiosperm chloroplast genomes. Moreover， we identified 27-54 simple sequence repeats（SSRs） in each genome， which are predominantly composed of A/T bases. Phylogenetic results supported Tamarix austromongolica and Myrtama elegans as members of Myricaria. The results revealed the conserved chloroplast genome structures across the ten Tamaricaceae species， with distinct interspecific variations that offer valuable information for resolving phylogenetic relationships and identifying species within this family.

Key words: Tamaricaceae, chloroplast genome, sequence characterization, phylogeny

中图分类号:

Q943

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图/表 13

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参考文献 68

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物种 Species	长度 Length/bp				基因数量 Number of gene
物种 Species	长单拷贝区 LSC	短单拷贝区 SSC	反向重复区 IR	叶绿体基因组 Chloroplast genome	转运RNA tRNA	核糖体RNA rRNA	蛋白编码基因 Protein-coding gene	总数 Total
盐地柽柳 Tamarix karelinii^*	84 787	18 247	26 571	156 176	36（29）	10（4）	84（77）	130（110）
短穗柽柳 Tamarix laxa^*	84 781	18 260	26 561	156 163	36（29）	10（4）	84（77）	130（110）
沙生柽柳 Tamarix taklamakanensis^*	84 778	18 257	26 571	156 177	36（29）	10（4）	81（75）	127（108）
密花柽柳 Tamarix arceuthoides	84 766	18 247	26 575	156 163	36（28）	10（4）	84（77）	130（109）
甘蒙柽柳 Tamarix austromongolica	84 379	18 303	26 004	154 690	36（28）	10（4）	85（78）	131（110）
多枝柽柳 Tamarix ramosissima	84 802	18 254	26 561	156 178	37（29）	10（4）	85（78）	132（111）
宽苞水柏枝 Myricaria bracteata	84 374	18 304	26 004	154 686	36（28）	10（4）	85（78）	131（110）
匍匐水柏枝 Myricaria prostrata	84 380	18 308	26 008	154 704	36（28）	10（4）	85（78）	131（110）
五柱红砂 Reaumuria kaschgarica	85 859	17 571	26 042	155 514	37（29）	10（4）	86（79）	133（112）
红砂 Reaumuria songarica	85 046	17 540	26 031	154 684	37（29）	10（4）	85（78）	132（111）

类别 Category	分组 Group	基因名称 Gene name	总数 Total
自我复制相关基因 Self-replication related genes	转运RNA tRNA	trnA-UGC^、trnC-GCA、trnD-GUC、trnE-UUC、trnF-GAA、trnM-CAU、trnG-GCC、trnG-UCC、trnH-GUG、trnI-CAU^、trnI-GAU^、trnK-UUU、trnL-CAA^、trnL-UAA、trnL-UAG、trnM-CAU、trnN-GUU^、trnP-UGG、trnQ-UUG、trnR-ACG^、trnR-UCU、trnS-CGA、trnS-GCU^、trnS-GGA、trnS-UGA、trnT-GGU、trnT-UGU、trnV-GAC^	28
	核糖体RNA rRNA	rrn4.5^、rrn5^、rrn16^*、rrn23^	4
	核糖体大亚基 Large ribosomal subunit	rpl32、rpl33、rpl20、rpl16、rpl22、rpl14、rpl2^、rpl23^、rpl36	9
	核糖体小亚基 Small ribosomal subunit	rps4、rps11、rps12^、rps3、rps15、rps7^、rps14、rps18、rps16、rps2、rps19^、rps8*	12
	DNA依赖性RNA聚合酶 DNA dependent RNA polymerase	rpoA、rpoC2、rpoC1、rpoB	4
光合相关基因 Photosynthesis related genes	NADH脱氢酶亚基 NADH-dehydrogenase subunit	ndhD、ndhA、ndhI、ndhE、ndhH、ndhF、ndhG、ndhJ、ndhC、ndhK、ndhB^*	11
	二磷酸核酮糖氧合酶/羧化酶大亚基 RubisCO large subunit	rbcL	1
	ATP合成酶亚基 ATP synthase subunit	atpA、atpE、atpH、atpF、atpI、atpB	6
	光系统Ⅰ亚基 PhotosystemⅠsubunit	psaI、psaJ、psaA、psaC、psaB	5
	光系统Ⅱ亚基 Photosystem Ⅱ subunit	psbB、psbE、psbL、psbC、psbZ、psbF、psbH、psbN、psbK、psbI、psbJ、psbM、psbA、psbT、psbD	15
	细胞色素b/f复合物亚基 Cytochrome b/f complex subunit	petB、petA、petG、petL、petN、petD	6
其他基因 Other genes	C型细胞色素合成 C-type cytochrome synthesis	ccsA	1
	翻译起始因子 Translation initiation factor	infA	1
	乙酰辅酶A羧化酶亚基 Acetyl-CoA carboxylase subunit	accD	1
	成熟酶K Maturase K	matK	1
	蛋白酶 Protease	clpP	1
	包裹膜蛋白 Envelop membrane protein	cemA	1
未知功能基因 Genes of unknown function	假定叶绿体阅读框 Hypothetical chloroplast reading frame	ycf3、ycf4、ycf2^*、ycf1	4

物种 Species	SSR类型 SSR type
物种 Species	A/T	C/G	AT/AT
盐地柽柳 T. karelinii	40	0	3
短穗柽柳 T. laxa	44	0	3
沙生柽柳 T. taklamakanensis	40	0	4
密花柽柳 T. arceuthoides	25	0	2
甘蒙柽柳 T. austromongolica	36	2	2
多枝柽柳 T. ramosissima	41	0	3
宽苞水柏枝 M. bracteata	44	0	6
匍匐水柏枝 M. prostrata	36	0	3
五柱红砂 R. kaschgarica	48	0	6
红砂 R. songarica	46	0	6

物种 Species	有效密码子数目 ENc	密码子适应指数 CAI	密码子偏好指数 CBI	最优密码子使用频率 FOP	同义第三密码子胸腺嘧啶含量 T3s	同义第三密码子胞嘧啶含量 C3s	同义第三密码子腺嘌呤含量 A3s	同义第三密码子鸟嘌呤含量 G3s
盐地柽柳 T. karelinii	54.841	0.160	0.223	0.354	0.409 2	0.232 6	0.414 4	0.224 1
短穗柽柳 T. laxa	55.359	0.158	0.200	0.358	0.404 3	0.242 7	0.399 4	0.232 5
沙生柽柳 T. taklamakanensis	55.147	0.160	0.215	0.355	0.414 2	0.236 3	0.401 5	0.230 0
密花柽柳 T. arceuthoides	55.285	0.157	0.206	0.356	0.410 3	0.238 5	0.400 7	0.230 2
甘蒙柽柳 T. austromongolica	55.143	0.160	0.216	0.355	0.413 2	0.230 3	0.405 1	0.231 3
多枝柽柳 T. ramosissima	54.960	0.160	0.221	0.357	0.404 5	0.240 3	0.399 6	0.239 5
宽苞水柏枝 M. bracteata	55.607	0.156	0.203	0.354	0.406 6	0.239 0	0.399 4	0.237 6
匍匐水柏枝 M. prostrata	55.432	0.158	0.204	0.354	0.407 2	0.235 3	0.401 6	0.235 4
五柱红砂 R. kaschgarica	55.361	0.161	0.204	0.355	0.409 9	0.235 1	0.403 0	0.235 3
红砂 R. songarica	55.644	0.162	0.193	0.359	0.405 6	0.244 6	0.396 6	0.238 4

物种 Species	第一密码子GC含量 GC1 content/%	第二密码子GC含量 GC2 content/%	第三密码子GC含量 GC3 content/%	总GC含量 GC content/%
盐地柽柳 T. karelinii	45.17	37.85	28.41	37.15
短穗柽柳 T. laxa	45.18	37.83	28.44	37.15
沙生柽柳 T. taklamakanensis	45.07	37.82	28.51	37.13
密花柽柳 T. arceuthoides	45.18	37.85	28.41	37.15
甘蒙柽柳 T. austromongolica	45.05	37.62	28.22	36.96
多枝柽柳 T. ramosissima	45.04	37.68	28.35	37.03
宽苞水柏枝 M. bracteata	45.03	37.62	28.23	36.96
匍匐水柏枝 M. prostrata	45.05	37.62	28.22	36.96
五柱红砂 R. kaschgarica	45.21	37.70	29.11	37.34
红砂 R. songarica	45.20	37.66	29.06	37.31