Cistanche rūšių mitogenomos rodo Lamiales-ord mitogenomų įvairovę ir sudėtingumą

Abstraktus

Puikiai žinoma gaubtasėklių įvairovė ir sudėtingumas. Nepaisant to, kad parazitiniai augalai yra gaubtasėkliai, mažai žinoma apie parazitinių augalų mitogenominę įvairovę, sudėtingumą ir evoliuciją. Šiame tyrime mes gavome ir apibūdinome trijų Cistanche rūšių (holoparazitinių augalų) mitogenomus iš Kinijos, kad palygintume pasikartojimus, segmentų dubliavimąsi ir daugybinius baltymus koduojančius genus (PCG), kad išsiaiškintume filogenetinius ir evoliucijos ryšius Lamiales tvarka. ir nustatyti mitochondrijų plastidų intarpus (MTPT).Cistanche mitogenomos. Rezultatai parodė, kad trijų Cistanche rūšių mitogenomų dydžiai svyravo nuo 1 708 661 iki 3 978 341 bp. TheCistanche rūšysgenomas koduoja 75–126 genus, įskaitant 37–65 PCG, 31–58 tRNR genus ir 3–5 rRNR genus. Palyginti su kitomis Lamiales ir parazitinėmis rūšimis,Cistanche rūšysparodė itin aukštą kelių kopijų PCG skaičių – nuo ​​0,13 iki 0,58 procentų viso PCG skaičiaus. Be to, šiuose trijuose mitogenomuose buvo rasta 37–133 paprastos sekos kartojimo (SSR), kurių dauguma buvo mononukleotidai adeninas / timinas. Įterptuose pakartojimuose buvo į priekį ir palindrominiai pakartojimai. Be to, segmentų dubliavimo sekos dydis svyravo nuo 199 584 iki 2 142 551 bp, o tai sudaro 24,9 proc., 11,7 proc. ir 53,9 proc. Cistanche deserticola,Cistanche salsairCistanche tubulosaatitinkamai mitogenomas. Be to, Ka / Ks analizė parodė, kad atp4, ccmB, ccmFc ir matR tikriausiai buvo teigiamai atrinkti Lamiales evoliucijos metu. TheCistancheplastome pasiūlė MTPT buvimą. Be to, 6–12 tRNR, 9–15 PCG fragmentų ir 3 rRNR geno fragmentaiCistanche mitogenomosbuvo rasta MTPT regionuose. Šiame darbe pirmą kartą pranešama apie Cistanche rūšies mitogenomą, kuris bus neįkainojamas tiriant mitogenomų evoliuciją.Orobanchaceae šeima.

Spustelėkite čia, kad sužinotumėte apie Cistanche Tubulosa funkciją

Raktiniai žodžiai:Cistanche, mitogenomas, MTPT, kartojimas, segmentų dubliavimas, kelių kopijų PCG, pakeitimo greitis

KLAUSTI DAUGIAU INFORMACIJOS;

wallence.suen@wecistanche.com

1. Įvadas

TheCistanche rūšysyra nefotosintetinių parazitinių augalų grupė.Cistancheyra senojo pasaulio gentis, turinti apie dvi dešimtis rūšių. Jie buvo suskirstyti į keturias gerai palaikomas ir geografiškai diferencijuotas kladas: Rytų Azijos kladą, Šiaurės Vakarų Afrikos kladą, Pietvakarių Azijos kladą ir plačiai paplitusią kladą [1]. Cistanche gentis priklauso Orobancheaceae šeimai. Orobanchaceae šeimoje yra apie 2000 rūšių (daugiausia parazitinių augalų) iš 90–115 genčių ir ji priklauso Lamiales būriui [2]. Atsižvelgiant į šeimininko poreikį užbaigti savo gyvavimo ciklą, Orobancheaceae augalai paprastai klasifikuojami kaip privalomi ir pasirenkami parazitai. Be to, atsižvelgiant į jų fotosintezės gebėjimą, Orobancheaceae augalai skirstomi į grupę, kuri aktyvina fotosintezę (hemiparazitai) ir į grupę, kuri neaktyvina fotosintezės (holoparazitai) [3]. Orobanchaceae šeima yra puiki pavyzdinė sistema, skirta tirti parazitizmo raidą augaluose [4].

Ankstesni tyrimai parodė, kad genomo dydis, genomo struktūra ir genų kiekisOrobanchaceae(parazitinių augalų) plastomos labai skiriasi, palyginti su kitais gaubtasėkliais augalais [5,6]. Be to, didelis genų praradimas ir pseudogenizacija vidujeOrobanchaceaebuvo rastos rūšių plastomos [7]. Iki šiol baigti 46Orobanchaceaeplastidų genomai buvo deponuoti GenBank, o tik vienasOrobanchaceaebuvo nusodintas mitogenomas. Pilnas mitogenomas anOrobanchaceae rūšys, Castilleja paramensis, genų praradimo lygis yra mažiausias (7,69 proc.) tarp septynių Orobanchaceae rūšių. Mažas genų praradimo lygis mitogenomose rodo, kad parazitiniai augalai vis dar turi tipišką mitochondrijų funkciją [8].

Pirmasis pilnas parazitinių amalų mitogenomas taip pat reikšmingai degradavo [9]. Be to, parazitinės mitogenomos, apie kurias buvo paskelbtos ankstesnės ataskaitos, daugeliu aspektų labai skyrėsi, įskaitant genomo dydį, genomo struktūrą, genų praradimą ir kt. Pavyzdžiui, Viscum scurruloideum mitogenomas buvo 66 kb dydžio, vienas buvo apskritas ir vienas linijinis. chromosoma [9]. Gastrodia elata mitogenomas buvo 20 kartų didesnis nei V. scurruloideum, joje buvo 12 žiedinių ir 7 linijinių chromosomų [10]. Tačiau nežinoma, ar šis stebėjimas apskritai taikomas kitiems parazitiniams augalams genomo struktūrų požiūriu.

Mitochondrijos yra organelės, dalyvaujančios įvairioje medžiagų apykaitos veikloje, susijusioje su energijos gamyba, sinteze ir sunaikinimu [11]. Labiausiai žinoma mitochondrijų funkcija yra oksidacinis fosforilinimas, kuris naudoja protonų gradientą, kad gamintų ATP metaboliniam aktyvumui [12]. Apskritai mitogenomas reprezentuoja mitochondrijų genetinę informaciją. Palyginti su gyvūnais ir grybais, augalų mitogenomos turi daug unikalių savybių. Mitogenomų dydžiai gaubtasėkliuose svyruoja nuo 200 kb iki 11 Mb ir labai skiriasi tarp rūšių [9, 13]. Daugumoje gaubtasėklių mitogenomų yra nuo 24 iki 41 PCG ir 2 arba 3 rRNR genai [14,15,16,17]. Mitogenomų plėtrą daugiausia skatina DNR dubliavimas ir svetimos DNR, tokios kaip branduolinė DNR, plastidų kilmės DNR (vadinamos mitochondrijų plastidų įterpimais, MTPT) ir netgi horizontaliųjų genų perkėlimai (HGT), įterpimas [15, 18, 19 ].

Be to, sinonimų pakeitimo greitis augalų mitogenomuose paprastai yra gana mažas ir yra panašus tarp PCG. Kai kurių augalų mitochondrijų PCG taip pat buvo pastebėtas stebėtinai didelis sinonimų greičio kitimas [20]. Minėtų mitochondrijų sekų ir PCG kintamumas sukėlė tyrėjų susidomėjimą mitogenomu. Iki šiol „GenBank“ buvo deponuotos 8592 visos plastomos, o tik 457 visos augalų mitogenomos. Todėl būtina tirti augalų mitogenomas.

DaugumaCistanche rūšysTradiciškai naudojami kaip vaistiniai augalai. Visų pirma,C. deserticolayra žinomas kaip dykumos ženšenis dėl savo maitinamojo poveikio [21]. Keli tyrimai pranešė apie cheminius komponentus irfarmakologinis poveikisapieCistanche rūšys[22,23,24]. Anksčiau mes pranešėme apie keturių Cistanche plastomų ypatybes Kinijoje ir nustatėme, kad Cistanche plastomos žymiai skyrėsi nuo kitų gaubtasėklių ypatybių [25]. Priešingai, Cistanche rūšių mitogenomų tyrimas vis dar yra pradiniame etape.

1 lentelė

Šiame darbe pirmą kartą sekvenavome, surinkome ir apibūdinome tris visas Cistanche rūšių mitogenomas, siekdami: (1) ištaisyti žinių apie Cistanche mitogenomas trūkumą; (2) ištirti Cistanche mitogenomų sudėtingumą ir įvairovę genomo dydžio, kelių kopijų PCG, pasikartojimo, segmentų dubliavimo, filogenetinio ryšio ir pakeitimo greičio požiūriu; ir (3) analizuoti MTPT Cistanche mitogenomose. Šio tyrimo rezultatai suteiks neįkainojamos informacijos apie Cistanche-mitogenomų evoliuciją.

Yra žinoma, kad mitochondrijų PCG genetinė struktūra yra kintama. Funkciniai genai buvo suskirstyti į tris klases: intronų neturinčius, trans-splicuotus ir cis-splicuotus genus. Dauguma PCG, priklausančių toms pačioms funkcinėms kategorijoms, turėjo panašias genetines struktūras. Mes nustatėme, kad keturi, septyni ir aštuoni PCG buvo trans-splicuoti genai C. deserticola (ccmFc, cox1, nad4 ir nad7), C. salsa (atp1, ccmFc, cob, nad7, rpl2, rps3 ir rps10) ir C. tubulosa. (ccmFc, cox1, nad4, nad5, nad7, rpl10, rps3 ir rps12) atitinkamai (2 lentelė). Be to, mes nustatėme, kad trys, keturi ir du PCG buvo cis-splicing genai C. deserticola (nad1, nad2 ir nad5), C. salsa (nad1, nad2, nad4 ir nad5) ir C. tubulosa (nad1 ir nad2). , atitinkamai (2 lentelė). Pažymėtina, kad plastidiniai PCG (rpl16 ir rps14) greičiausiai buvo du pseudogenai (2 lentelė).

2.2. Trijų Cistanche rūšių ir aštuonių kitų Lamiales ir šešių parazitinių rūšių mitogenomų daugiakopių baltymų kodavimo genų (PCG) palyginimas

Mes palyginome Cistanche rūšių ir kitų Lamiales rūšių mitogenomų dydį, GC kiekį ir PCG kopiją su paskelbtomis mitogeomomis. Paskelbtos Lamiales rūšys buvo Boea hygrometrica, Mimulus guttatus, Ajuga reptans, Salvia miltiorrhiza, Hesperelaea palmeri, Castilleja paramensis, Utricularia reniformis ir Rotheca serrate (S2 lentelė). Jų GC kiekis svyravo nuo 43,27 procento iki 45,5 procento, kuris buvo gana panašus (1 lentelė ir S2 lentelė). Tačiau šių mitogenomų dydžiai buvo labai įvairūs (1 pav., 1 lentelė ir S2 lentelė). C. tubulosa mitogenomas (3 978 341 bp) buvo didžiausias; jo dydis buvo 11,3 karto didesnis už mažiausią mitogenomą (A. reptans, 352, 069 bp) (1 lentelė ir S2 lentelė). Cistanche mitogenomos buvo didžiausios iš visų mitogenomų, rastų Lamiales tvarka. Norint nustatyti, ar yra kokių nors koreliacijų tarp PCG kopijų skaičiaus ir mitogenomo dydžio, buvo lyginami PCG kopijų skaičiai iš tų 11 mitogenomų. PCG dubliavimasis buvo pastebėtas visuose Lamiales mitogenomuose. Dvigubos laipsnis buvo ypač didelis Cistanche gentyje (1 pav.). Remiantis ankstesniu tyrimu, mitochondrijų PCG buvo suskirstyti į dvi kategorijas: pagrindinius genus ir kintamuosius genus [9]. Tarp Cistanche mitogenomų pasikartojančių pagrindinių genų dalis svyravo nuo 13 procentų iki 58 procentų tokia tvarka: C. tubulosa (58 procentai), C. salsa (25 procentai) ir C. deserticola (13 procentai) (1 pav. ir S4 lentelę). Pasikartojančių kintamų genų dalis svyravo nuo 0–35 proc., tokia tvarka: C. tubulosa (35 proc.), C. deserticola (6 proc.) ir C. salsa (0 proc.) (1 paveikslas ir lentelė). S4). Tarp kitų Lamiales rūšių pagrindinių genų dubliavimasis buvo tik H. palmeri ir U. reniformis mitogenomose (1 pav.). Be to, E. guttata, H. palmeri ir U. reniformis mitogenomose buvo kintamų genų dubliavimasis (1 pav.).

figūra 1

Genomo dydis ir baltymus koduojančio geno turinys tarp 11 Lamiales rūšių mitogenomų.

Taip pat palyginome Cistanche rūšies mitogenomų ir kelių parazitinių augalų, įskaitant C. paramensis, Cynomorium coccineum, Epirxanthes elongate, Lophophytum mirabile, Viscum album ir V. scurruloideum, PCG kopijų dydį, GC kiekį ir PCG kopijų skaičių (S5 lentelė). Jų GC kiekis svyravo nuo 43,52 procento iki 47,4 procento, kuris buvo gana panašus (1 lentelė ir S5 lentelė). Tačiau šių mitogenomų dydžiai labai skyrėsi (S4 pav., 1 lentelė ir S5 lentelė). Mažiausias mitogenomas buvo iš V. scurruloideum (65 873 bp). Cistanche mitogenomos išliko didžiausios tarp parazitinių augalų (S4 pav., 1 lentelė ir S5 lentelė). Verta paminėti, kad holoparazitinio augalo C. coccineum mitogenomos dydis taip pat buvo didesnis nei 1 Mb (S5 lentelė).

Be C. paramesis, V. scurruloideum ir V. album, PCG dubliavimasis taip pat buvo parazitinių augalų mitogenomose (S4 pav. ir S6 lentelė). Tarp Cistanche mitogenomų pasikartojančių pagrindinių genų dalis svyravo nuo 13 procentų iki 0,63 procentų tokia tvarka: C. tubulosa (63 procentai), C. salsa (25 procentai) ir C. deserticola ( 13 proc.) (S4 pav. ir S6 lentelė). Be to, pasikartojančių kintamų genų dalis svyravo nuo {{10}}–35 proc., tokia tvarka: C. tubulosa (35 proc.), C. deserticola (6 proc.) ir C. deserticola (0). ) (S4 pav. ir S6 lentelė). Apskritai C. tubulosa ir C. coccineum turėjo didžiausią pasikartojančių pagrindinių genų ir kintamų genų proporcijas (S4 pav. ir S6 lentelė).

2.3. MTPT identifikavimas

Norėdami nustatyti MTPT Cistanche mitogenomose, palyginome Cistanche mitogenomų sekas su jų plastomų sekomis. C. deserticola atveju buvo rastos 158 aukšto balo segmentų poros (HSP). Šie 158 fragmentai iš viso buvo 35 165 bp ilgio, o tai sudarė 1, 89 procento mitogenomo ilgio (S5 pav.). Fragmento ilgis svyravo nuo 33 iki 1156 bp. Anotuoti rezultatai parodė, kad jie visi buvo plastidiniai genai, įskaitant 11 pilnų tRNR genų: trnV-GAC (2), trnN-GUU, trnM-CAU, trnW-CCA (2), trnS-GGA (2), trnS-GCU ( 2) ir trnS-GGA. Be to, devyni fragmentai buvo pažymėti kaip daliniai plastidiniai PCG: rpl2 (170 bp), ycf2 (276, 387, 216, 61, 36, 61 bp), rps14 (199 bp) ir rps4 (193 bp). Likę fragmentai buvo identifikuoti kaip plastidinės ribosomų RNR (rrn 5, 16S ir 23) (S7 lentelė).

C. salsa buvo nustatyti 128 HSP. Iš viso šie 128 fragmentai buvo 28 963 bp ilgio, o tai sudarė 1, 64 procento mitogenomo ilgio (S6 pav.). Fragmento ilgis svyravo nuo 33 iki 1155 bp. Anotuoti rezultatai parodė, kad jie visi buvo plastidiniai genai, įskaitant 12 pilnų tRNR genų: trnS-GGA (5), trnN-GUU (2), trnD-GUC (2), trnW-CCA, trnM-CAU ir trnV-GAC. Be to, devyni fragmentai buvo pažymėti kaip daliniai plastidiniai PCG: rps4 (193 bp), rps14 (199 193 bp) ir ycf2 (216, 170, 61, 387, 276, 396 bp). Likę fragmentai buvo identifikuoti kaip plastidinės ribosomų RNR (rrn 5, 16S ir 23) (S8 lentelė).

C. tubulosa atveju buvo rasti 139 HSP. Šių 139 fragmentų bendras ilgis buvo 26 911 bp, o tai sudarė 0,68 proc. mitogenomo ilgio (S7 pav.). Fragmento ilgis svyravo nuo 35 iki 1156 bp. Anotuoti rezultatai parodė, kad jie visi buvo plastidiniai genai, įskaitant šešis pilnus tRNR genus: trnD-GUC (2), trnN-GUU, trnD-GUC, trnN-GUU ir trnR-ACG. Be to, 15 fragmentų buvo anotuoti kaip daliniai plastidiniai PCG: ycf2 (128, 81, 110, 81, 257, 110, 110, 128, 77 bp), ycf1 (580, 580 bp), accD (243, 31) ir rpl2 (138 bp). Likę fragmentai buvo identifikuoti kaip plastidinė ribosomų RNR (rrn 5, 16S ir 23) (S9 lentelė).

Puikiai žinoma gaubtasėklių įvairovė ir sudėtingumas. Nepaisant to, kad parazitiniai augalai yra gaubtasėkliai, mažai žinoma apie parazitinių augalų mitogenominę įvairovę, sudėtingumą ir evoliuciją. Šiame tyrime mes gavome ir apibūdinome trijų Cistanche rūšių (holoparazitinių augalų) mitogenomus iš Kinijos, kad palygintume pasikartojimus, segmentų dubliavimąsi ir daugybinius baltymus koduojančius genus (PCG), kad išsiaiškintume filogenetinius ir evoliucijos ryšius Lamiales tvarka. ir nustatyti mitochondrijų plastidų intarpus (MTPT) Cistanche mitogenomose. Rezultatai parodė, kad trijų Cistanche rūšių mitogenomų dydžiai svyravo nuo 1,708 661 iki 3 978 341 bp. Cistanche rūšies genomas koduoja 75–126 genus, įskaitant 37–65 PCG, 31–58 tRNR genus ir 3–5 rRNR genus. Palyginti su kitomis Lamiales ir parazitinėmis rūšimis, Cistanche rūšys parodė labai didelį kelių kopijų PCG skaičių – nuo ​​0,13 iki 0,58 procento viso PCG skaičiaus. Be to, šiuose trijuose mitogenomuose buvo rasta 37–133 paprastos sekos kartojimo (SSR), kurių dauguma buvo mononukleotidai adeninas / timinas. Įterptuose pakartojimuose buvo į priekį ir palindrominiai pakartojimai. Be to, segmentų dubliavimo sekos dydis svyravo nuo 199 584 iki 2 142 551 bp, o tai sudaro atitinkamai 24,9 proc., 11,7 proc. ir 53,9 proc. Cistanche deserticola, Cistanche salsa ir Cistanche tubulosa mitogenomų. Be to, Ka / Ks analizė parodė, kad atp4, ccmB, ccmFc ir matR tikriausiai buvo teigiamai atrinkti Lamiales evoliucijos metu. Cistanche plastoma pasiūlė MTPT buvimą. Be to, MTPT regionuose buvo rasta 6–12 tRNR, 9–15 PCG fragmentų ir 3 rRNR geno fragmentai Cistanche mitogenomose. Šiame darbe pirmą kartą pranešama apie Cistanche rūšies mitogenomą, kuris bus neįkainojamas tiriant Orobanchaceae šeimos mitogenomų evoliuciją.