基于叶绿体基因组的香青属分子系统学研究

论文摘要

香青属（Anaphalis DC）是菊科（Asteraceae/Compositae）鼠麴草族（Gnaphalieae）的一个大属,约有110余种。主要分布于亚洲热带和亚热带地区,以泛喜马拉雅地区为分布中心,少数分布于欧洲和北美。香青属属下类群多,叶形、头状花序、小花等形态性状变异非常复杂,在属下种间以及与近缘属之间性状存在交叉现象,且多数种类在形态上表现出多型性现象,存在杂交以及多倍化现象,其属内种间以及与近缘属间的系统学关系一直备受争议。植物叶绿体具有基因组较小,但包含大量的遗传信息;易提取分离;在分子水平上的差异明显等特点,被广泛用于物种系统发育研究。本研究利用高通量测序技术对香青属61个类群（隶属于47种）和3个拟鼠麴草属物种进行二代测序,利用生物信息学方法注释所有的叶绿体基因组序列,对其特征进行比较分析,并用叶绿体基因组序列和细胞核基因序列（ITS、ETS）构建系统发育树,结合形态学特征探究了香青属属下类群间及与近缘属间的系统发育关系。本研究的主要内容及结果如下:1.本研究通过高通量测序技术获得53个香青属类群和3个拟鼠麴草属类群的完整叶绿体基因组序列,以及8个不完整的香青属叶绿体基因组序列。对53个完整的香青属叶绿体基因组序列进行生物信息分析,香青属叶绿体基因组结构为典型的四联体结构,总长度在151082-153361bp之间,其中,大单拷贝区（LSC）长度大小为83306-85102bp,小单拷贝区（SSC）长度大小为18046-18571bp,反向重复区（IR）长度大小为24831-24928bp。共注释132个基因（蛋白编码基因87个,tRNA基因37个,rRNA基因8个）,其中A.aureopunctata、A.szechuanensis和A.bicolor等34个类群的叶绿体基因组序列中缺少一个tRNA基因trnT-GGU,共含有131个基因。香青属植物叶绿体基因组GC含量均为37.1%-37.2%。使用生物信息学分析,53个香青属叶绿体基因组共检测出3670个SSR位点,其中以单核苷酸重复数量最多,其次是四核苷酸和三核苷酸重复,只有A.busua、A.virgata等少数物种中含有六核苷酸重复。2.使用mVISTA对叶绿体基因组序列一致性进行分析,结果表明香青属植物叶绿体基因组较为保守,共筛选出9个变异程度较大的区域,这些差异较大的区域全部位于分布在两个单拷贝区的基因间区,包含丰富的信息位点,可以为香青属的物种鉴定和系统进化等方面的研究提供重要的信息。对叶绿体基因组IR区收缩和扩张进行分析,结果显示香青属内物种IR区边界差异高度保守。香青属叶绿体基因组长度的差异与IR区的收缩和扩张关系不大,主要是受LSC区域长度的影响。3.利用最大似然法（ML）和最大简约法（MP）,基于叶绿体基因组和两个细胞核基因序列分别构建系统发育树,进行系统发育分析。在基于叶绿体基因组的系统发育分析中,Anaphalis被分成两支,第一支包括A.subdecurrens、A.margaritacea、A.royaleana、A.nubigna、A.hellwigii、A.contorta、A.racemifera、A.tenella、A.cavei、A.busua、A.nepalensis、A.acutifolia、A.triplinervis、A.virgata、A.roseo-alba和A.aurora等物种(MLBS=99%,MPBS=100%),第二支包括其余大部分香青属物种(MLBS=100%,MPBS=100%)。与第二支相比,第一支中的香青属物种的叶绿体基因组均有trnT-GGU基因;且ycf3和ycf2基因中存在6bp的缺失、以及在ndhF基因中存在9bp的插入。与形态特征相一致的是,基于叶绿体基因组构成的系统发育树中第一支包含的香青属物种的瘦果表面微形态特征均为网纹+横棒状突起型,花序托为蜂窝状,叶片基部沿茎不下延。第二支香青属物种的叶绿体基因组的trnT-GGU基因丢失,且瘦果微表面形态特征为舌状突起型,花序托具繸状突起,叶片基部沿茎下延。在基于核基因ITS和ETS构建的系统进化树中,香青属物种也被分为两个大支,其中A.cavei、A.contorta、A.tenella、A.busua聚在一支上,并与A.aureopunctata、A.sinica、A.contortiformis等形成姐妹类群,但在叶绿体基因组构建的系统发育树中,A.cavei、A.contorta、A.tenella、A.busua聚在一起(MLBS=100%,MPBS=100%)并与A.margaritacea、A.triplinervis、A.hellwigii等聚在第一支上。在基于叶绿体基因组和nrITS+nrETS构建的系统进化树上皆存在香青属与Helichrysum和Pseudognaphalium嵌套的现象,因此不支持香青属为单系群。基于叶绿体基因组构建的系统发育树与基于nrITS和nrETS构建的系统发育树相比,前者属于母系遗传,且与形态特征相符合,更能真实的反映香青属的系统学关系,而香青属在进化过程中存在较广泛的种间杂交及多倍化等现象,导致基于核基因序列构建的系统发育树物种之间的关系较为混乱。4.结合基于叶绿体基因组构建的系统发育树和形态性状特征,我们建议将香青属分为两个亚属,分别以珠光香青A.margaritacea和香青A.sinica作为代表。亚属I包括第一支中的物种,其叶绿体基因组含有trnT-GGU基因,但与其他菊科植物相比该基因存在9bp的缺失和6bp的插入,且瘦果表面特征为具网纹+横棒状突起型,花托为蜂窝状,叶基不下延;亚属II包括第二支中的物种,其叶绿体基因组中trnT-GGU基因丢失,且瘦果表面特征为具有舌状突起型,花托具繸状突起,叶基下延。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
•   1.1 香青属分类学研究
•     1.1.1 香青属简介
•     1.1.2 香青属分类简史
•     1.1.3 香青属实验分类学研究
•     1.1.4 分子系统学
•   1.2 叶绿体基因组研究进展
•     1.2.1 叶绿体基因组起源与发展
•     1.2.2 叶绿体基因组结构特征
•     1.2.3 叶绿体基因组的进化
•     1.2.4 测序技术进展
•     1.2.5 叶绿体基因组在植物系统发育研究中的应用
•   1.3 本研究的目的意义
• 第二章 材料与方法
•   2.1 实验材料
•   2.2 实验试剂与仪器
•     2.2.1 实验试剂
•     2.2.2 实验仪器
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 总DNA的提取
•     2.3.2 叶绿体基因组测序、组装和注释
•     2.3.3 叶绿体基因组的重复序列分析
•     2.3.4 密码子使用偏好性分析
•     2.3.5 叶绿体基因组比较分析
•     2.3.6 系统发育分析
• 第三章 结果与分析
•   3.1 香青属叶绿体基因组测序及组装结果
•   3.2 叶绿体基因组基本信息
•     3.2.1 叶绿体基因组的基本特征
•     3.2.2 密码子使用偏好性
•     3.2.3 串联重复序列和简单重复序列（SSR）分析
•   3.3 香青属叶绿体基因组的比较
•     3.3.1 叶绿体基因组全序列比对
•     3.3.2 IR区的收缩和扩张
•   3.4 系统发育分析
•     3.4.1 基于叶绿体全基因组的系统发育分析
•     3.4.2 基于ITS和 ETS序列的系统发育分析
• 第四章 讨论
•   4.1 香青属叶绿体基因组基本信息
•     4.1.1 叶绿体基因组的结构特征
•     4.1.2 密码子偏好性
•     4.1.3 重复序列和SSR
•     4.1.4 叶绿体基因组的比较分析
•   4.2 系统发育分析
•     4.2.1 香青属属下系统发育关系
•     4.2.2 香青属与近缘属的系统发育关系
•     4.2.3 叶绿体DNA与核DNA构建的系统发育关系的比较
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 个人简历
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 顾君宇

导师: 朱世新

关键词: 香青属,叶绿体基因组,系统发育分析,序列特征,鼠麴草族,菊科

来源: 郑州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 郑州大学

基金: 国家自然基金面上项目“香青属(菊科-鼠麴草属)的系统学研究”(31670188)

分类号: Q943

总页数: 94

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