客户文章丨植物线粒体基因组高级分析轻松发SCI 4分文章北柴胡线粒体的组装和比较分析

导语

北柴胡是伞形科多年生草本植物,全世界大约有200种柴胡，在中国作为药材已有多年历史。近年来，北柴胡的药理作用不断得到开发，认为是一种具有重要经济和药用价值的自然资源。线粒体是植物细胞中重要的细胞器，参与许多细胞内化合物的合成和降解以及能量生产相关的代谢过程。线粒体拥有相对独立的遗传物质并有一个独立自足的蛋白质合成系统，是细胞进行有氧呼吸和参与各种生命活动的主要部位，如细胞内分化、凋亡、生长和分裂。因此mt基因组是研究植物系统发育和必要的细胞过程的宝贵遗传信息来源，在物种进化、鉴定和遗传转化研究中具有重要意义。植物mt基因组在长度、基因序列和基因含量等方面存在显著差异。这种现象不仅存在于不同的物种中，也存在于同一物种中。本研究对北柴胡线粒体基因组进行了测序组装注释，并从基因组特征、重复序列、RNA编辑、密码子偏好和比较基因组学等方面进行了深入分析。通过系统进化分析，更有效地了解了北柴胡的遗传变异，同时提供有关北柴胡育种和植物研究的报告，为进一步研究提供理论基础。

论文ID

原名：Assembly and comparative analysis of the complete mitochondrial genome of Bupleurum chinense DC

译名：北柴胡线粒体的组装和比较分析

期刊：BMC Genomics      

IF：4.547

发表时间：2022.09.21

通讯作者：乔永刚

通讯作者单位：山西农业大学生命科学学院

DOI：10.1186/s12864-022-08892-z

实验设计

研究材料：新鲜叶片

技术方法：CTAB 法提取DNA 二代&三代测序建库

结果

北柴胡线粒体基因组为环状结构，基因组长435,023 bp其中碱基含量A (27.19%)、G (22.49%)、 T (27.77%)、 C (22.55%)， GC含量 45.04%。基因组上有78个基因，39个PCGs、35个tRNAs、 4 个rRNAs，2283个ORFs。北柴胡包括35种编码蛋白，共9类，编码蛋白可分为NADH脱氢酶(9个基因)、ATP合成酶(6个基因)、细胞色素C生物发生辅助蛋白(4个基因)、细胞色素C氧化酶(3个基因)、成熟酶(1个基因)、泛素醇细胞色素C还原酶(1个基因)、核糖体蛋白(SSU)(7个基因)、核糖体蛋白(LSU)(3个基因)和转运膜蛋白(1个基因)。蛋白编码基因的起始密码子均为ATG, TAA、TGA和TAG停止密码子的使用率不同。TAA、TGA和TAG的使用率分别为51.3、25.6和23.1%。TAA终止密码子的使用率最高；含有3个rRNA，分别是rrn18 (1764 bp)、 rrn26 (3252 bp)、 rrn5 (117 bp)，鉴定出21种不同trna参与17种氨基酸的运输。

基因组含有844个长度大于30bp的散在重复序列，其中 425 个正向，419个反向，最长的正向重复为12012 bp，最长的回文重复为16761 bp。单个重复数最多，占SSRs总数的47.75%，五个和六个重复最少。A/T组成的单体重复序列占单体的91.6%，AG/CT碱基组成的二个体重复序列占二个SSRs的59.2%。串联重复序列中10个长度为9 ~ 71 bp的串联重复序列。

34个蛋白质编码中共预测了517个rna编辑位点，核糖体蛋白(SSU)编码基因rps14的RNA编辑位点预测最少，为2个；nad4的编辑位点预测最多，为44个位点。经过RNA编辑后，42.75%的氨基酸的疏水性保持不变，8.12%的疏水性氨基酸变为亲水性，48.16%的亲水性氨基酸变为疏水性。所有rna编辑位点均为C-T编辑型，其中30.95%的位点位于第一碱基上，65.18%的位点位于第二碱基上(337个)。atp6、atp9、 ccmFc、 cob、 rpl16编码基因中观察到RNA 编辑位点。所有编码基因的密码子数为12704个，3个碱基(均为GC)的GC1、GC2、GC3含量及平均GC含量不足50%。

由于同时使用了A和T碱基，北柴胡基因组密码子存在偏差，有效密码子数(Nc)为55.48，表明mt基因组的密码子偏好较弱。RSCU> 1的密码子有30个，表明这些密码子的使用频率大于其他同义密码子。以A/T基结尾的密码子28个，占总数的93.33%，说明常用的密码子多以A/T基结尾。

筛选出25个同源片段，全长11,144 bp，占mt基因组的2.56%。这些同源片段包含8个注释基因，其中6个为tRNA基因，分别为trnV-GAC、trnW-CCA、trnN-GUU、trnD-GUC、trnM-CAU和trnI-UAU，另外2个为rRNA基因(rrn18)和细胞色素c生物发生基因(ccmC)。

与B. falcalum的选择压力分析ccmB 和 nad4 的值大于1，说明发生了正向选择，与D. carota,选择压力分析rps1 和 rps14的值大于1，说明受正向选择。大多数蛋白质编码基因Ka/Ks值< 1，说明这些基因在进化过程中经历了负选择。

选取包括十字花科2种，茄科3种，豆科7种，伞形科1种，唇形科1种，禾本科3种17个物种做比较基因组学分析发现植物mt基因组大小差异很大，大小为219.766 Kb-566.589 Kb ，GC含量差异较小，均为45%左右，说明植物mt基因组虽然大小差异较大，但在进化过程中GC含量相对保守。

19个物种与北柴胡构建ML和BI 系统发育树，银杏作为外群，两种树的结果一致，十字花科、茄科、豆科、唇形科、禾本科和伞形科均有较好的聚类。系统发育树上的聚类与这些物种在科属水平上关系一致，表明基于mt基因组的聚类结果是可靠的。20种植物聚集成3个主要类群。Brassica napus、 B. juncea 、 Raphanus sativus属于十字花科，Vigna angularis， V. radiata， Glycine soja，Glycyrrhiza uralensis， Sophora flavescens， S. tora，S. occidentalis属于豆科，禾本科的稻子、高粱和小麦属于第三类。

结论

本研究测序组装注释了北柴胡的线粒体基因组，形态为环状，全长为435,023 bp 。基因组包括78个基因，包括39个PCGs，35 个tRNAs，4个rRNAs，分析了重复序列、RNA编辑和密码子偏好，mt和cp基因组之间的基因转移。植物线粒体基因组比较基因组学分析发现基因组大小差异较大，GC含量在进化中相对保守。Ka/Ks分析表明大部分编码基因为负选择，说明mt基因在进化过程中是保守的。本研究提供了北柴胡的线粒体基因组信息，为未来利用研究北柴胡遗传变异、系统进化和育种研究奠定基础。

本章小结

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