担子菌属汉纳酵母线粒体基因组特征:内含子进化、基因重排、系统发育

《文章简介》

本文是农业农村部粮食与生物学院粗粮加工重点实验室、四川农业科学院发表的，研究内容是测序汉纳酵母线粒体基因组特征研究基因组的内含子进化、基因重排、系统发育。文章发表时间2021年5月28日，杂志《Frontiers in Microbiology》，影响因子5.640（Q1）。

原文链接：https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.646567

摘要

二代测序汉纳酵母线粒体基因组，环状DNA分子，大小26444bp。研究发现汉纳酵母删除了转移半胱氨酸的tRNA基因。比较基因组发现内含子区是导致基因组大小变化的主要因素。银耳属物种cox1基因经历了内含子丢失/增加事件，但汉纳酵母中cox1基因可能有不同的起源。基因排列分析表明，汉纳酵母含有一个与其他银耳物种不同的独特基因序列。系统发育关系发现汉纳酵母与银耳关系密切。本研究首次报道汉纳酵母线粒体基因组，将有助于进一步研究叶状平面酵母和其他相关物种的群体遗传学、分类学和进化生物学。

材料和方法

样本收集:

玉米叶片表面（中国四川）分离汉纳酵母 s11,，对收集的酵母菌株的形态、生化和生理特性进行检查,根据内部转录间隔区（ITS）序列和线粒体基因进一步鉴定汉纳酵母DNA 提取使用 NEBNext Ultra IIDNA Library Prep Kits (NEB, Beijing, C汉纳酵母ina)提取总基因组DNA。

测序

Illumina Seq 2500 Platform 测序&Pacbio RSII 测序。

组装注释

注释PCG、rRNA基因和tRNA基因以及ORF框，最后绘制mtDNA圈图。

序列分析

AT skew、GC skew；四个银耳属mtDNA 的PCG Ka、Ks。使用MEGA v6.06计算15个核心PCG之间的总平均遗传距离。使用Mauve v2分析基因组

共线性

33种担子菌的cox1基因内含子分为不同的位置类别。

系统发育分析

33物种序列（15 PCGs和2个rRNA ）构建贝叶斯（BI）和最大似然（ML）系统发育树。

结果与结论

环状DNA分子大小2644bp，GC含量38.98%，GC和AT偏度都为正值。15个PGC中14个能量代谢基因，1个rps3；8个内含子中的7个（COX1、atp6、rnl、atp9、nad3、nad1和NAD5）分散在寄主基因中，Cox1基因包含两个内含子，另外六个基因各含一个内含子。所有内含子属于I组，同时发现一个含内含子的ORF（orf195）。42个基因中19条在正链上，23条在反链上,23个tRNA基因，2个rRNA。汉纳酵母含有两个反密码子编码蛋氨酸和脯氨酸的tRNA，这两tRNA的长度和碱基组成不同，表明tRNA基因中存在频繁的基因突变。

内含子是导致银耳目、丝孢酵母及其他担子菌基因组大小变化的主要因素，在担子菌中，Cox1基因是内含子中最大的宿主基因。在本研究中，测试的33种担子菌中共检测到246个该基因的内含子，其中7个属于第II组，其他属于第I组。此外，汉纳酵母 103和425 aa位点发现H. oryza含有两个新的内含子PCLs（补充表3）表明汉纳酵母经历了一个独特的内含子起源。

四个银耳mtDNA的15个核心PCG中除ATP8、atp9和nad4外，四个物种中有12个PCG的长度不同，PCG的GC-skew为负值；rps3基因AT-skew为正值。汉纳酵母ERPS3基因的K2P平均遗传距离最高，nad4的Ks平均值最高，atp9最低；erps3基因的Ka值最高，而nad4L最低，15个PCG的Ka/Ks值均小于1。汉纳酵母mtDNA中检测到8个内含子，但只有一个含有ORF，表明mtDNA内含子正在收缩。

银耳属和毛孢子虫属的五个近缘种mtDNA基因排列高度可变，都有18个基因：15个PCG、2个rRNA基因和1个rnpB基因，16个基因的相对位置在五个mtDNA中有所不同（图3）。汉纳酵母具有独特的基因排列，说明重排发生在蛋白质编码基因、rRNA基因和rnpB基因上。

共线性分析表明5个mtDNA可分为18个同源区，而且这些同源区域高度可变，17个同源区的相对位置在5个mtDNA中有所不同。

构建BI和ML系统进化树（15 PCGs和2个rRNA）分析发现33种担子菌可分为七个主要分支，分别是黑粉菌目、伞菌目、多孔菌目、红菇目、大角菌目、银耳目和毛孢子菌目。银耳属的四个种分为两组：一组由隐球菌属的两个种组成，二组为汉纳酵母. 和其姐妹种T. fuciformis.。

讨论

担子菌有30000多种，目前已测100多种，汉纳酵母与之前已测的4个比较分析发现，mtDNA第二小,GC 含量第二高；银耳属的COX1基因有内含子丢失/增加事件，导致银耳属mtDNA的大小和结构的变化。另外汉纳酵母含有两个新的内含子，这与已知担子菌中的内含子有不同的起源，说明汉纳酵母经历了一个独特的内含子起源；与子囊菌相比基因在一条链上，但汉纳酵母的基因在两条链上。

大多数真菌保留14个保守的能量代谢基因,一个rpS3基因，称为真菌mtDNA的核心pCG。本研究中发现PCG在长度和碱基组成上有较高的变异率，五个近缘物种中，汉纳酵母的九个基因具有独特的长度，说明具有独特的进化特征，ATP9最保守，rps3基因的遗传距离最大。更有意义的是Tremellomycetes 和Ustilaginomycetes的ATP8基因与 Agaricomycetes 相比缺失12个核苷酸。五个相邻近的物种的PCGs都是纯化选择。五个近缘物种线粒体基因排列是高度可变的，汉纳酵母具有独特的基因顺序。系统发育树将33种担子菌分为7个分支。线粒体基因组的引入促进对真菌分类学和遗传进化的理解，可作为真菌系统发育分析的可靠工具，为重建真菌的系统发育树和阐明担子菌纲物种的系统发育状态，需更的真菌线粒体基因组。