巴山榧树的叶绿体基因组学研究:探究松柏类叶绿体基因组的结构变异

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叶绿体基因组具有一对反向重复区(Inverted Repeat regions,IR),它在稳定叶绿体基因组的结构、基因修正、介导分子内重组、形成“头接头”二聚体等方面起着重要作用。IR的缩减、扩张及丢失是叶绿体基因组结构变化的主要原因之一,然而有关IR变化和丢失的进化机理目前仍不清楚。  松柏类叶绿体基因组的一个重要特征就是丢失了一份IR拷贝,这曾当作松柏类是单系群的依据。松柏类的IR是如何丢失的,一直是备受关注的问题。有关松科和广义柏类是否丢失了不同的IR拷贝也存在争议。解决这一争议不仅能够为理解松柏类IR的丢失机制提供线索,而且也能深化对叶绿体基因组结构变异的认识。  巴山榧树(Torreya fargesii Franch.)隶属广义柏类红豆杉科(Taxaceae)榧树属(Torreya),是我国特有的第三纪孑遗植物。巴山榧树所属的红豆杉科因单生的胚珠具有假种皮、不具有鳞片等解剖学特征而有别于其他松柏类。作为红豆杉科榧树族的代表物种之一,巴山榧树的叶绿体基因组全序列至今未公布。  为探究松柏类IR丢失的机制及叶绿体基因组结构变异的机理,本研究首先测定并分析了巴山榧树的叶绿体基因组全序列,其次鉴定了巴山榧树叶绿体基因组的异构体结构,最后使用最大简约法对松柏类植物的叶绿体基因组进行了比较基因组学分析。主要得出以下结果:  1、巴山榧树的叶绿体基因组全长137,075 bp,GC含量为35.47%。该基因组编码118个基因,包括83个蛋白编码基因、4个rRNA基因及31个tRNA基因。其基因含量与穗花杉属(Amentotaxus)植物的叶绿体基因组基因含量最接近。与其他松柏类植物相似,它的叶绿体基因组丢失了一个反向重复区。  2、巴山榧树的叶绿体基因组有6对小反向重复序列(small Inverted Repeats,sIR),其中有3对sIR具有介导分子内同源重组进而产生DNA异构体的能力。在介导同源重组的sIR中,长度最短的为211 bp,这是目前发现的能够介导同源重组的最短sIR。  3、巴山榧树的叶绿体基因组具有8种异构体结构。除了本研究测定的叶绿体基因组全序列的异构体结构,其余7种异构体均由sIR介导产生。这7种异构体可分为3种类型:由1个sIR介导产生,由2个sIR同时介导产生以及由3个sIR同时介导产生。这3种类型的叶绿体基因组的重排程度呈逐渐增高的趋势。由此推测,松柏类植物高度重排的叶绿体基因组可能与sIR介导的同源重组相关。  4、松柏类植物的叶绿体基因组具有不同的IR丢失机制。松科具有两种IR丢失的可能途径:其一、IRB整体丢失;其二、IRB丢失S05片段(包含rRNA基因的序列),同时IRA丢失S06片段(包含ycf2及部分psbA基因的序列)。广义柏类则具有另一种IR丢失途径:IRA整体丢失。松科和广义柏类IR丢失的不同途径反映出它们的叶绿体基因组具有不同的结构进化机制。
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