2023-03-06
期刊：《biology》
影响因子：5.168
近日，广东药科大学在生物学领域的《biology》发表新研究成果！本研究对车前草科下的11个属下的41个叶绿体基因组进行了比较分析，发现该科物种在基因组结构和基因含量方面具有高度保守性；同时基于基因树和物种树分析发现，其聚类结构有差异，表明利用单一或者多个叶绿体DNA进行车前草科系统发育的局限性。本研究结果为车前草科植物的属间关系提供了一些新的认识，为今后的系统发育和分类学研究奠定了基础。
研究背景 车前草科约90个属、1900个种，形态多样，其包括一年生或者多年生草本植物、也包含灌木或者水生植物。前人根据ITs、ETs、以及某些基因构建进化树，为车前草科的系统发育关系提供了一些思路。但是这个存在某些物种在系统发育树中其置信值较低、甚至是分辨率较低的局限性，故无法很好有效的区分这些物种。因此，为了阐明车前草科植物在部落水平上的系统发育关系，有必要在广泛取样和整合更多基因或基因组序列数据的基础上重建一个可靠的系统发育。随着NGS技术的发展，叶绿体基因组更容易获得，且由于叶绿体多为母系遗传，缺乏重组，且进化速率适中，因为被广泛用于系统发育分析。本研究中，对车前草科科的6个物种叶绿体基因组进行了测序，并与NCBI中已报道的35个物种进行比较分析，目的是:(1)研究车前草科植物叶绿体的结构和成分变化；(2)重建完整的系统发育；(3)评价车前草科植物叶绿体数据中基因树的一致性和冲突程度，揭示单段或多段叶绿体DNA序列系统发育分析的局限性。
研究材料与方法 1、实验材料 车前草科下的6个物种进行高通量测序，并从NCBI中选择了37个基因组进行后续的比较基因组分析 2、测序平台 Illumina NovaSeq 3、分析内容 叶绿体基因组denovo测序、Mauve分析、IR收缩与扩张分析、进化树构建以及叶绿体基因组基本信息比较分析。
研究结果 叶绿体基因组特征 对6个样本进行高通量测序，得到6,069,200-30,408,958条reads，其中，302,408-5,093,971条reads映射到最终组装结果上，平均覆盖范围为295.979×-4,997.812×。所有新测序的叶绿体被组装成一个典型的四部分结构，包含一个大的单拷贝(LSC)和一个小的单拷贝(SSC)，由两个反向重复序列(IRs，包括IRa和IRb)分开。 图1 6个车前草科叶绿体的基因组圈图 相比之下，车前草科植物的叶绿体大小为130833 bp (Littorella uniflora)至165045 bp (Plantago asiatica)，它们同样由一对IRs (IRa和IRb，长度为21404 - 38724 bp)组成，由LSC区(77490 - 85713 bp)和SSC区(4577 - 18447 bp)隔开，总GC含量为37.4% - 39.0%。其中，Littorella uniflora GC含量最低。大多数叶绿体含有相同的114个基因，其中蛋白质编码基因80个，tRNA基因30个，rRNA基因4个。值得注意的是，Plantago，Littorella uniflora、Veronica polita、Veronica perica、Veronica eriogyne和Angelonia angustifolia的叶绿体中ycf 15基因缺失。此外，Littorella uniflora缺乏ndh基因的功能拷贝(ndhE除外)；Angelonia angustifolia和Scoparia dulcis缺乏inf A基因，而Plantago martima叶绿体中存在一个新的tRNA基因(trnL-CAG)。 表1 部分车前草科基因组特征比较
叶绿体结构变异 比较了车前草科11个属下的15个不同种叶绿体基因组的IRs/LSC和IRs/SSC连接，确定了IR区的扩张/收缩。总体而言，车前草科植物的LSC/IRb、IRb/SSC、SSC/IRa和IRa/LSC的边界相对保守，rps19、ndhF、ycf 1和trnH基因分别位于上述连接位点。共线性分析也显示，大多数属的车前草植物的叶绿体基因排列具有保守性。在SSC和IRs中有明显的IR扩增和重排，这导致了连接和基因排列的差异。此外， Littorella uniflora的 LSC、SSC和IRs的大小也有所减小，尤其是ndh基因的缺失，导致IRb/SSC连接发生变化。 图2 IR区收缩与扩张分析 图3 共线性（Mauve法）分析
系统发育树 基于连接的数据集，ML和BI系统发育都生成了相同的树拓扑，几乎所有节点都表现出高支持值，得到车前草科6个不同的支系：(I) Gratioleae+Angelonieae， (II) Russelieae+ Cheloneae， (III) Antirrhineae ，(IV) Callitricheae，(V) Sibthorpieae， (VI) Plantagineae + Digitalideae, Veroniceae + Hemiphragmeae。其中，Gratioleae与Angelonieae聚在Plantaginaceae的姐妹进化树(Clade I)底部。在剩下的部落中，Russelieae和Cheloneae形成了早期分化的第二分支，先后与第三分支(Antirrhineae)、第四分支(Callitricheae)、第五分支(Sibthorpieae)和第六分支(Plantagineae)形成姐妹，其中Plantagineae与Digitalideae， Veroniceae为Hemiphragmeae的姐妹。 图4 68个级联叶绿体PCGs重建车前草科的系统发育 图5 基于68个叶绿体蛋白编码基因的车前草科物种树重建 尽管在Veronica和Penstemon中观察到的某些关系略有差异，但在ASTRAL中实现的物种树拓扑结构与级联分析的结果基本一致，大多数节点的局部后验概率(LPP)值较高。值得注意的是，Digitalideae + Plantagineae和Russelieae + Cheloneae 节点的支持值相对较低，且Sibthorpieae的位置仅得到适度支持。
基因树的一致性与冲突性 PhyParts分析揭示了物种树中每个节点的一致、冲突或无信息的基因树的数量，每个基因树的节点上设置的bootstrap support (BS)阈值为70。从饼图中可以看出，尽管有一定数量的基因表现出一致性，但大多数叶绿体基因在系统发育的节点上基本上是无信息的。此外，物种树节点存在不同程度的基因树冲突。值得注意的是，一些冲突基因数量接近或大于一致基因数量的节点在物种树中的支持度似乎相对较低。Digitalideae和Plantagineae的节点表现出较多的基因树冲突，有2个一致基因和5个冲突基因；而Sibthorpieae的节点表现出较多的基因树冲突；Cheloneae和Russelieae节点仅有5个一致基因，而有13个冲突基因。 图6 68个叶绿体基因的一致基因和冲突基因分析
结论 本研究丰富了车前草科植物叶绿体的基因组资源，为研究车前草科植物叶绿体结构和基因含量提供了基础信息。虽然Globularieae没有被纳入此次分析，但此次分析的车前草科下的11个属，为研究车前草科的属间关系提供了一些新的见解。此外，为了进一步阐明车前草科各属之间的关系，未来的研究将受益于从叶绿体基因组中对所有属进行更广泛的分类采样，以及使用更多来自核和线粒体基因组的数据进行分析。
本研究的叶绿体基因组denovo测序与分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：microsupport@personalbio.cn，联系电话：021-80118168-8617）！
文章索引：
Xie P, Tang L, Luo Y, et al. Plastid Phylogenomic Insights into the Inter-Tribal Relationships of Plantaginaceae[J]. Biology, 2023, 12(2): 263.
