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菝葜（Smilax china L.）叶绿体基因组分析及基于单子叶植物cpDNA基因组的比较研究

作　者: 刘娟
导　师: 傅承新; 向秋云
学　校: 浙江大学
专　业: 遗传学
关键词: 菝葜百合目单子叶植物叶绿体基因组单子叶植物的进化比较基因组学基因功能选择压和核苷酸替代率对系统进化的影响
分类号: Q943
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

单子叶植物是被子植物进化过程中较早分化出来的一个单系分支,其内部主要类群的系统进化关系已基本确定,但是百合目的进化地位在近年来的研究中有较大的变动。植物叶绿体基因组的大规模测序为研究叶绿体基因组的进化和探讨被子植物的系统进化提供了重要的数据来源。目前已有212个绿色植物的叶绿体基因组得到测序。百合目叶绿体基因组数据的缺失影响了单子叶植物的系统进化研究。菝葜是百合目内的一个单系类群,约有200～250个种,广泛分布于热带、亚热带及温带地区。本研究首先测定并分析了中国菝葜(Smilax china L.)的叶绿体基因组序列,然后,运用生物信息学的手段对单子叶植物的叶绿体基因组进行了比较分析,并研究了基因功能、选择压及核苷酸变异率对重建单子叶植物系统进化关系的影响。进一步基于单子叶植物叶绿体基因组共有的63个蛋白编码基因构建了单子叶植物的系统进化树,以期从叶绿体基因组的角度揭示百合目的系统进化地位。本研究的主要内容及结果如下：1.菝葜(Smilax china L.)叶绿体基因组测序和序列分析菝葜(Smilax china L.)(?)十绿体基因组的测序、注释及序列分析结果表明：该叶绿体基因组呈闭合环状,总长度为157,878bp,共包含4大部分：大单拷贝区(LSC,Large Single Copy region,84,608bp),小单拷贝区(SSC, Small Single Copy region,18,536bp)和两个反向互补重复区(IRs, Inverted Repeat regions,27,367bp, IRa和IRb)。整个基因组共定位到135个基因,其中21个基因分布在反向互补重复区,因此整个基因组包含了114个不同的基因。对这114个不同的基因按照功能进行分类：73个蛋白编码基因,30个不同的tRNA编码基因,4个rRNA编码基因,6个保守的开放阅读框(conserved reading frames, ycfs)和3个假基因。2.单子叶植物叶绿体比较基因组学结果单子叶植物叶绿体基因组长度比较结果显示,所有的单子叶植物叶绿体基因组均由四大部分(LSC, IRa, SSC和IRb)组成。除了兰科植物Rhizanthella gardneri的叶绿体基因组发生了大规模的缩减(59,190bp),其它单子叶植物的叶绿体基因组长度基本集中在135-170kb之间。同时,禾本科植物(Poaceae)的叶绿体基因组长度集中在135～141kb,明显短于其它单子叶植物(146～170kb)。泽泻科(Alismataceae)四个物种的叶绿体基因组长度均在165-170kb之间,远大于其它单子叶植物(<161kb)。单子叶植物叶绿体基因组比对结果显示,除了禾本科植物内存在三个大尺度的基因组重排事件(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)外,其它非禾本科植物的叶绿体基因组均与烟草叶绿体基因组呈线性关系,即没有发生基因组重排现象。单子叶植物叶绿体基因组基因组的突变热点(divergent hotspots)检测揭示单子叶植物的叶绿体基因组存在8个突变热点。3.叶绿体基因组核苷酸变异率及选择压的异质性除去突变热点基因,单子叶植物叶绿体基因组共有63个共有的蛋白编码基因。依据其功能将这63个基因分为四人类：(Ⅰ)基因表达相关基因；(Ⅱ光合作用体系编码基因；(Ⅲ)光合作用代谢相关基因；(Ⅳ)跨膜运输相关基因。非同义替代率(dN)、同义替代率(dS)、总核苷酸替代率(Ts+Tv)及选择压(dN/dS)比较结果显示,这些指标在基因间和物种间均存在异质性。4.基因功能、选择压和总核苷酸替代率对重建单子叶植物系统进化关系的影响基于不同功能组的基因构建的单子叶植物系统进化树不完全一致,基于同一功能组的基因序列数据,仅使用蛋白编码基因的前两位密码子位点(1st+2nd,2-codon)(?)口使用蛋白编码基因的三位密码子位点(1st+2nd+3rd,3-codon)得到的进化关系也不同。基于同一选择压组构建的2-codon进化树和3-codon进化树之间的拓扑结构基本相同,只是某些分支的支持率在两树之间存在不同。除了Liliales, Asparagales和Dioscoreales的进化地位变动较大,基于各基因分组构建的单子叶植物系统进化树均支持目前公认的系统进化关系。基因选择压对单子叶植物系统进化关系的重建有较大的影响。5.基于单子叶植物叶绿体基因组63个共有蛋白编码基因的单子叶植物系统进化关系与分组数据相比,基于63个共有蛋白编码基因构建的2-codon进化树、3-codon进化树、3rd-codon进化树和氨基酸(aa)进化树得到相对一致的进化关系,同时均得到较高的支持率。但是,Liliales, Asparagales和Dioscoreales的进化关系仍存在不一致。2-codon进化树支持Dioscoreales (Dioscorea)和Liliales (Smilax)之间的并系关系,与目前大多数被子植物进化研究如著名的APGIII (2009)的结论一致。但是,3-codon进化树支持Liliales (Smilax)和Dioscoreales (Dioscorea)之间的单系关系。基因序列与进化树之间的契合度检验(SH test)表明,2-codon基因数据虽支持Dioscoreales和Liliales的并系关系,但是没有显著好于二者之间的单系关系。但是,3-codon基因数据支持Liliales和Dioscoreales的姐妹关系,并且显著好于Liliales和Dioscoreales的并系关系。

全文目录

摘要  6-9
Abstract  9-16
第一章前言  16-39
  1.1 菝葜类群的基本特点和系统分类研究现状  16-20
  1.2 植物分子系统学研究中基因片段的选择  20-22
  1.3 叶绿体比较基因组学在植物分子系统学研究中的应用  22-32
  1.4 单子叶植物各类群系统进化关系的研究进展  32-37
  1.5 本研究的内容及目的  37-39
第二章材料与方法  39-53
  2.1 材料  39
  2.2 菝葜叶绿体基因组测序  39-44
    2.2.1 菝葜叶绿体DNA提取  39-41
    2.2.2 菝葜叶绿体基因组测序及基因组注释  41-44
  2.3 单子叶植物内各类群叶绿体基因组比较分析  44-49
    2.3.1 单子叶植物叶绿体基因组结构及组成比较方法  46-47
    2.3.2 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因的核苷酸替代率及选择压比较方法  47-49
  2.4 基因功能、选择压和核苷酸变异率对重建单子叶植物系统发育树的影响的分析方法  49-50
  2.5 基于叶绿体基因组序列的单子叶植物系统进化关系研究方法  50-53
    2.5.1 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因核苷酸位点变异的饱和度检验  50-51
    2.5.2 基于叶绿体全基因组序列的单子叶植物系统进化关系研究  51-52
    2.5.3 相互竞争的拓朴树或系统发育假设检验(SH test)  52-53
第三章结果与分析  53-86
  3.1 菝葜叶绿体基因组结构和基因组成  53-56
  3.2 单子叶植物内各类群叶绿体基因组比较分析  56-63
    3.2.1 单子叶植物叶绿体基因组长度比较  56-59
    3.2.2 单子叶植物叶绿体基因组内的重排现象  59-62
    3.2.3 单子叶植物叶绿体基因组成分比较结果  62-63
  3.3 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因的核苷酸替代率和选择压比较结果  63-68
    3.3.1 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因的非同义替代率(dN)比较结果  64-65
    3.3.2 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因的同义替代率(dS)比较结果  65-66
    3.3.3 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因的总核苷酸变异率(Ts+Tv)比较结果  66-67
    3.3.4 单子叶植物叶绿体蛋白编码基因的选择压(dN/dS)比较结果  67-68
  3.4 基因功能、选择压和总核苷酸变异率对重建单子叶植物系统进化关系的影响  68-79
    3.4.1 基因功能对单子叶植物系统进化关系的影响  69-72
    3.4.2 基因选择压对重建单子叶植物系统进化关系的影响  72-75
    3.4.3 基因总核苷酸变异率对重建单子叶植物系统进化树的影响  75-79
  3.5 基于叶绿体基因组全基因组序列的单子叶植物系统进化关系  79-86
    3.5.1 基于叶绿体基因组63个蛋白编码基因序列的单子叶植物系统进化关系  79-83
    3.5.2 相互竞争的拓朴树或系统发育假设检验(SH test)结果  83-86
第四章讨论  86-94
  4.1 单子叶植物叶绿体基因组的结构与组成  86-89
    4.1.1 单子叶植物叶绿体基因组的结构倒位  86-87
    4.1.2 单子叶植物叶绿体基因组的组成变异  87-89
  4.2 基因功能、核苷酸替代率及选择压差异对重建单子叶植物系统进化关系的影响  89-91
  4.3 基于叶绿体基因组序列的百合目系统进化地位探讨  91-94
第五章总结与展望  94-97
  5.1 总结  94-96
  5.2 展望  96-97
参考文献  97-98
附录一  98-99
附录二  99-101
发表论文情况  101-102
致谢  102-104

菝葜（Smilax china L.）叶绿体基因组分析及基于单子叶植物cpDNA基因组的比较研究

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