摘要
研究方法
为了全面比较Carya、Engelhardia和Juglans叶绿体基因组的基因组变异,我们计算了基因间隔、外显子、内含子和RNA基因中SNVs和插入缺失(InDels)位点的总数、长度和百分比。对于Engelhardia物种,我们仅保留同一物种中的一个个体进行核苷酸多态性分析。为了绘制SNVs和InDels数据的密度条形图,我们使用TBtools中的Genome Varscan插件,检测参数设置为:线程数(CPU)为2,基因组序列差异标准(Diff)为千分之一,VarRange为0到1,000,000。Carya、Engelhardia和Juglans与选定的参考序列R. chiliantha进行比对,然后输出变异位点信息。
主要结果
黄杞属物种叶绿体基因组的整体GC含量为35.8%–36.0%,编码序列(CDS)区域的GC含量为37.2%-37.3%。LSC(大单拷贝)区域的GC含量(33.2%-33.6%)和SSC(小单拷贝)区域的GC含量(29.3%-29.6%)均低于IR(反向重复)区域的GC含量(42.6%-42.7%)。
物种名称显示在左上角,基因组图包括5个圈。从内到外,第一圈(A)显示正向和反向重复,通过红色和绿色弧线连接。第二圈(B)显示串联重复,用蓝色线段表示。第三圈(C)显示微卫星序列,用绿色和黄色线段表示。第四圈(D)显示大单拷贝(LSC)、小单拷贝(SSC)和反向重复(IRa和IRb)。第五圈(E)显示基因组的GC含量。基因分布在最外圈(F),可选的密码子使用偏好显示在基因名称后的括号中。圈内和圈外显示的基因分别以顺时针和逆时针方向转录。不同功能组的基因用不同颜色表示。
表2 13个新组装的Engelhardia叶绿体基因组和一个Rhoiptelea chiliantha叶绿体基因组特征
通过分析黄杞属物种叶绿体基因组中LSC、SSC、IRa和IRb序列的边界差异,发现内边界差异较小。没有发生大的区域扩展和间隔区域的缩短,这与该属叶绿体的保守特征一致(图2)。所有物种中的ycf1基因跨越了SSC/IRa区域,SSC中的ycf1长度为4623-4729 bp,IRa中的长度为1004-1104 bp。在IRb/SSC边界附近形成了假基因(Ψycf1),并在所有黄杞属物种中观察到短的Ψycf1片段延伸到SSC区域。Ψycf1和ndhF的重叠仅在E. anminiana、E. spicata和E. villosa中被检测到。rps19基因在所有黄杞属物种中跨越LSC/IRb区域,并在IRa/LSC边界形成了假基因(Ψrps19)(图2)。
本研究中,通过MISA在线软件对SSR进行了统计分析,共在13个Engelhardia叶绿体基因组中检测到1,530个SSR位点。不同个体之间SSR的总数变化不大,范围从111(E. roxburghiana_JFL02)到127(E. villosa)。这些叶绿体SSR(ptSSR)中,大多数为单核苷酸重复,占所有SSR的71.24%,其次是双核苷酸(13.07%)、三核苷酸(5.69%)、四核苷酸(4.97%)和三核苷酸重复(4.64%),而六核苷酸重复最少,仅占0.39%(图3)。A/T型单核苷酸是最丰富的SSR,占98.44%,仅检测到17个G/C单核苷酸重复,这也导致叶绿体中A和T的富集。大多数SSR位于LSC区域(72.88%),而分布在SSC(19.67%)和IR(7.45%)区域的SSR比例较小。此外,大多数SSR(87.84%)分布在IGS和内含子中,而仅有12.16%位于编码序列中(图4)。
图4 在13个黄杞属物种叶绿体基因组中简单序列重复(SSR)的分布:A. LSC、SSC、IR区域及所有CDS中SSR数量统计;B. 不同区域检测到的SSR整体比例统计;C. 检测到的CDS和非编码序列中SSR的整体比例统计。
使用R. chiliantha作为参考,我们对Juglandoideae和Engelhardioideae的叶绿体基因组中的基因组变异进行了分享,包括单核苷酸变异(SNVs)、插入和缺失(InDels),并发现不同物种之间存在很大差异(表S5a)。在所有收集的物种中,共识别出115,213个SNVs、9,502个插入(1-274 bp)和10,428个缺失(1-2,468 bp)。在叶绿体基因组水平上,SNVs、缺失和插入的数量在不同个体之间变化不大,Juglandaceae的平均值分别为15.03、1.36和1.24,Carya为11.84、1.04和0.93,Engelhardia为17.48、1.48和1.64,Juglans为17.20、1.70和1.28。在这三种类型的基因组变异中,IR区域每千碱基的变异数量最少,Juglandaceae的平均值为1.71、0.15和0.09,Carya为1.81、0.13和0.11,Engelhardia为1.66、0.20和0.10,Juglans为1.70、0.14和0.05。LSC区域每千碱基的SNVs、缺失和插入数量最多,Juglandaceae的平均值为9.04、0.97和0.93,Carya为6.17、0.70和0.63,Engelhardia为10.62、1.01和1.23,Juglans为11.30、1.30和1.04。这些结果共同表明,IR区域比单拷贝区域更为保守。
所有基因组结构变异都被映射到基于叶绿体基因组构建的系统发育树上,Carya(插入事件:132-199次;缺失事件:135-236次)、Engelhardia(186-364;155-311)和Juglans(149-230;192-331)发生的插入事件和缺失事件的时间差异很大。因此,Carya的结构变异少于Engelhardia和Juglans。Engelhardia物种之间的结构变异范围相对较大,特别是在E. serrata和E. villosa中,E. serrata有329个插入和306个缺失,E. villosa有364个插入和311个缺失。
这些识别出的InDels的相应基因组位置被映射并定位到Juglandoideae和Engelhardioideae的叶绿体基因组中。结果发现,Juglandaceae中90%的InDels位于内含子(35%)和基因间区域(55%),Carya中92%的InDels位于内含子(43%)和基因间区域(49%),Engelhardia中88%的InDels位于内含子(33%)和基因间区域(55%),而Juglans中91%的InDels位于内含子(31%)和基因间区域(60%)(图6)。
进一步计算并绘制了三个亚科编码基因的密码子使用频次,包括ENC、Fop、CBI和CAI(表S6c)。CAI值在0.09到0.31之间,psbA、rbcL和psbD的CAI值最高,而rpl20、rpl18和rps8的CAI值最低。大多数CBI值范围在-0.23到0.23之间,最高的是psbA、psbD和rbcL,最低的是ndhF、ndhG和rps14。大多数Fop值在0.26到0.55之间,最高的是psbA、psbD和rbcL,最低的是ndhG、ndhF和petD。大多数ENC值集中在35.71到60.6之间,最高的是ycf3、ycf2和rpl2,最低的是rps18、petD和rps14(表S6c)。三个亚科的叶绿体基因组中高表达的基因是ycf2、rpoC1和rpoC2,低表达的基因是rps18、petD和rps14(表S6d)。结合表S4a中29个RSCU值大于1的高频密码子,最终确定了10个共同的最佳密码子,分别是CUU、GUU、UCU、UCA、CCU、CCA、GCU、AAU、CGA和GGA,且均以A或U结尾(表S6d)。
密码子偏好指数(CBI)与最佳密码子使用频率(Fop)之间存在正相关关系,相关系数最高为0.97(表S6e)。CAI与CBI之间、CAI与Fop之间的相关系数也较高,分别为0.72和0.76,显示出正相关。此外,T3s/C3s、T3s/A3s、T3s/G3s、T3s/GC3s、T3s/GC、C3s/A3s、C3s/G3s、A3s/G3s、A3s/CAI、A3s/CBI、A3s/Fop、A3s/ENC、A3s/GC3s、A3s/GC、G3s/CAI、G3s/CBI、G3s/Fop、CAI/GC等之间存在负相关。其中,A3s/CAI显示出最高的负相关程度,相关系数为-0.57(图S7)。三个亚科的结果与整个胡桃科相似,最高的相关系数是CBI和Fop,其次是CAI与CBI之间以及CAI与Fop之间的相关系数(图S7)。ENC值与T3s、C3s、G3s和GC3s呈正相关,而与A3s呈负相关。我们的结果表明,同义密码子的第三个碱基含量与基因表达水平密切相关,T3s、C3s和G3s与基因表达呈正相关,而A3s与基因表达呈负相关(表S6e,图S7)。
所有筛选出的基因编码序列的ENC值范围从35.71到60.6。ENC频率使用公式(ENCexp-ENCobs)/ENCexp计算,范围从-0.25到0.28。在-0.1到0.1范围内有2,051个ENC频率,接近预期的ENC值(表S6f)。基于标准曲线公式ENC = 2 + GC3 + 29/[GC32 + (1 − GC3)2],我们将ENC作为纵坐标,GC3s作为横坐标绘制散点图(图7)。发现大多数基因位于标准曲线附近或上方(图7A)。然而,我们还发现所有物种中六个基因(rpl16、rps18、cemA、psbA、rps14和ycf3)的观察ENC值显著偏离标准曲线(图7A,B)。在所有基因中,ycf3的ENC值最高,而rps18和rpl16的ENC值最低(图7B;表S6f)。
PR2图用于分析编码氨基酸的密码子第三位的四种碱基组成,横坐标为G3/(G3 + C3),纵坐标为A3/(A3 + T3)。结果显示,在胡桃科的蛋白编码序列中,第三位密码子的A/T和G/C(嘧啶与嘌呤)使用略有不同(图7C)。PR2图显示,在36个胡桃科叶绿体基因组的CDS的第三位密码子的A/T和G/C使用存在轻微的不平衡,特别是在四个CDS(psbA、rpl20、rpl16和rps8)中(图7C)。第三和第四象限中的基因数量多于第一和第二象限,且分布在第四象限的基因数量大于分布在其他三个象限的基因数量,因此G和T的使用频率最高(图7C)。
图7 ENC和PR2图显示了50种胡桃科物种叶绿体基因组中蛋白编码基因的情况。A. ENC图显示这些叶绿体中蛋白编码基因的观察和预期ENC值与GC3s值的关系。B. 比较两个不同气候区的ENC差异。C. PR2图显示50种胡桃科叶绿体中蛋白编码基因的碱基组成特征。红色表示来自Engelhardioideae物种的基因;绿色表示来自Juglandoideae物种的基因;蓝色表示来自Rhoipteleoideae物种的基因。
A比较三亚科中光合作用相关基因、自我复制相关基因和其他蛋白编码基因的Ka/Ks值。B 比较三亚科中光合作用相关基因、自我复制相关基因和其他蛋白编码基因的基因同源体的Ka/Ks值。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001; NS, p > 0.05。C 显示Juglandoideae、Engelhardioideae和Rhoipteleoideae亚科中CDS基因的Ka/Ks值的热图。
在Juglandoideae中有两个主要支系,支系I为Carya,支系II包括Juglans、Pterocarya、Cyclocarya和Platycarya。在ML树中,支系I内部的支持率(BS = 63-100%)低于支系II(BS = 66-100%)。Carya物种被分为两个组,C. hunanensis、C. kweichowensis、C. sinensis、C. polianei、C. tonkinensis和C. cathayensis被归为一组,而其余12个物种被归为另一组。Juglans被分为三个组,即Juglans/Dioscaryon组、Cardiocaryon组和Rhysocaryon组。Juglans/Dioscaryon组包括J. regia和J. sigillata,Cardiocaryon组包括J. mandshurica、J. ailanthifolia和J. hopeiensis,Rhysocaryon组包括J. cinerea、J. nigra、J. hindsii、J. major和J. microcarpa。Pterocarya被分为两个组,一个组包括P. fraxinifolia、P. stenoptera和P. hupehensis,另一个组包括P. macroptera var. insignis和P. tonkinensis。Cyclocarya paliurus是Cyclocarya的单一物种,根据系统发育关系与Pterocarya关系密切。
Engelhardioideae的物种关系密切,进一步分为两个主要支系,与Engelhardia(支系I)和Psilocarpeae(支系II)一致,支持率非常高(BS = 100%,PP = 1)。支系I包括E. spicata、E. spicata var. rigida、E. hainanensis、E. serrata、E. anminiana和E. villosa。支系II包括E. roxburghiana和E. fenzelii,这两者是姐妹种。Rhoipteleoideae亚科仅包括R. chiliantha,是单一属和单一物种。
图9 基于80个蛋白编码基因的胡桃科分化时间校准系统发育树。使用带有4个化石先验的松弛分子钟模型估计的平均分歧时间(红色星)。节点上的蓝色条表示围绕平均分歧时间的95%最高后验密度(HPD)区间。节点按年龄编号。图中显示了胡桃科的属和亚科。
胡桃科大部分属在46.20-73.59百万年前分化。Engelhardioideae亚科两个支系的分化时间大约在27.64-46.11百万年前,主要发生在早始新世到中渐新世。系统发育和分歧时间不支持Engelhardia在进化历史中发生快速辐射。在Juglandoideae亚科中,Carya的crown节点年龄估计为64.98百万年前(95% HPD:60.49-69.70百万年前);Platycarya为60.51百万年前(95% HPD:56.32-64.91百万年前),发生在晚古新世;Cyclocarya paliurus为54.10百万年前(95% HPD:50.84-57.41百万年前)。Pterocarya和Juglans的分化估计为46.29百万年前(95% HPD:43.43–49.63百万年前),发生在中始新世。Juglandoideae亚科大部分属在46.29-64.98百万年前分化,发生在中古新世到早始新世相对温暖干燥的气候中(图9)。
讨论
DNA条形码是一种新型物种鉴定技术,使用标准短基因区域作为标记,以快速、准确和高效地识别物种。Zhang等人使用了五个叶绿体区域(psbA-trnH、trnL-trnF、rps16、trnS-trnG和rpl32-trnL)、一个核DNA区域(nrITS)和11个核简单序列重复(nSSR)进行Engelhardia的物种鉴定。在我们的研究中,我们使用完整的叶绿体基因组对Engelhardia进行核苷酸多态性分析,以寻找更多潜在的分子标记。结果显示,所有物种的IR区域的遗传多态性低于LSC和SSC区域,编码区序列比非编码区序列更保守,这与大多数被子植物的发现相似。然而,我们仍然在Engelhardia中发现了18个高度可变区域,包括trnK-rps16、ndhF-rpl32和ycf1,这些区域在Carya和Juglans中也高度可变。它们可以用于Engelhardia的物种鉴定,甚至用于胡桃科的物种鉴定。
结构变异不仅可能影响基因组结构的异质性,还可能影响Juglandoideae和Engelhardioideae叶绿体中蛋白编码基因的进化。通过对蛋白编码基因中InDels的长度分析,发现3,993个Engelhardia中的InDels中,只有1,200个是3的倍数,而Carya和Juglans分别有1,428/5,670和1,248/4,764个InDels。这一发现表明,InDels移码的负选择可能不会真正影响叶绿体蛋白编码基因,这与其他开花植物的六个核基因组观察到的结果相反。通过将结构变异映射到叶绿体中蛋白编码基因的外显子和RNA基因,进一步确认了叶绿体基因组结构变异的普遍性,表明InDels可能是Juglandoideae和Engelhardioideae叶绿体基因进化的重要驱动因素。
我们发现密码子偏好指数(CBI)与最佳密码子使用频率(Fop)之间存在正相关关系,相关系数最高为0.97,表明胡桃科叶绿体基因组中的密码子使用模式可能是由进化过程中最佳密码子使用频率决定的。在胡桃科及其两个亚科(Juglandoideae、Engelhardioideae)中,ENC值与T3s、C3s、G3s和GC3s呈正相关。然而,ENC值与A3s呈负相关。ENC值可用于确定基因的相对表达水平,因此我们推测胡桃科及其两个亚科(Juglandoideae、Engelhardioideae)同义密码子的第三个碱基含量与基因表达水平密切相关,T3s、C3s和G3s与基因表达呈正相关,而A3s与基因表达呈负相关。在Rhoipteleoideae亚科中,C3s、G3s和GC3s与基因表达呈正相关,而T3s和A3s与基因表达呈负相关。
在胡桃科的叶绿体基因组中,有50个蛋白编码基因的长度超过300 bp。这些筛选出的基因编码序列的ENC值范围从35.71到60.60。根据ENC值的范围,20(完全偏倚)到61(无偏倚)之间的值,当ENC值小于35时,基因或基因组的密码子使用具有强烈的偏倚。基于这两个特征,我们发现胡桃科叶绿体中蛋白编码基因的密码子使用偏倚较弱。共有2051个ENC频率比值在-0.1到0.1之间(表S6f),接近预期的ENC值,表明大多数基因的预期ENC值与实际值之间的差异很小。结果显示,同义密码子第三个位置的碱基含量与基因表达密切相关。密码子第三个碱基的GC含量(GC3s)被认为最可能直接反映密码子使用模式,并可能是导致密码子使用偏倚的重要因素。以ENC为纵坐标,GC3s为横坐标绘制的散点图探讨了密码子使用的主要特征(图7)。当散点位于标准曲线附近时,表明密码子偏好受到突变压力的影响;反之,则表明密码子使用偏好受到自然选择等因素的影响。发现大多数散点位于曲线附近(图7),表明突变对密码子偏倚的影响更大。进一步的ENC图分析显示,大多数基因的ENC值接近预期值(图7A),这表明这些基因的密码子使用偏倚与GC3有关,突变是主要影响因素。此外,一些基因(rpl16、rps18和rps14)的ENC值远低于预期曲线(图7),这也证实了自然选择对这些基因密码子偏好的影响。
由于自然选择和碱基突变的影响,PR图绘制分析可以显示基因组中编码基因在使用第三个密码子碱基时的偏好。如果第三个密码子发生碱基突变,则同义密码子AT和CG在基因或基因组中的比例相等。相反,如果存在选择压力,一些“优先”用于翻译的密码子将被更频繁地使用。对胡桃科及其三个亚科的PR图分析显示,蛋白编码序列第三个碱基的A/T和G/C选择存在差异,使用G和T(嘌呤)碱基的频率更高(图7C),表明主要受到选择压力的影响。基于ENC图分析和PR图分析,自然选择和突变共同影响胡桃科叶绿体的密码子使用模式,其中突变压力起主导作用,这与Oncidium Gower Ramsey的结果一致。
同义和非同义核苷酸替代模式对基因进化研究具有重要价值。由于纯化选择的影响,非同义核苷酸的替代率低于同义核苷酸,因此在大多数情况下Ka/Ks比率小于1。为了更清楚地了解胡桃科叶绿体的适应性进化,我们计算了蛋白编码基因的Ka/Ks比率。我们的结果显示,只有ycf1的Ka/Ks比率大于1,其余79个基因的Ka/Ks比率均小于1,表明存在强烈的纯化选择压力(表S7a)。我们还注意到,rps16仅在胡桃科和Engelhardioideae中受到正选择。作为植物叶绿体细胞器中的自我复制相关基因,rps16对植物的生存至关重要。被正选择的rps16基因可能在Engelhardioideae物种的适应过程中发挥关键作用。Engelhardioideae和Juglandoideae亚科之间的光合作用相关基因存在差异(图8C,表S7b),这可能是由于温带Juglandoideae亚科与热带Engelhardioideae亚科之间光合适应的差异。这些基因在叶绿体中的分布表明,SSC和LSC区域中的大多数基因经历了比其他叶绿体基因组区域更大的选择压力,而IR区域则更为保守。此外,不同功能的基因进化速率不同,参与光合作用的基因在叶绿体中的选择压力通常低于与自我复制和其他功能相关的基因,导致基因表达和功能的差异。
胡桃科被分为三个组,包括Juglandoideae、Engelhardioideae和Rhoipteleoideae亚科,并具有非常高的支持率(BS = 100%,PP = 1)。首先,Juglandoideae亚科的五个主要分支与五个属完全对应,即Carya、Juglans、Pterocarya、Cyclocarya和Platycarya,所有这些属都有很高的支持率(BS = 100%,PP = 1)。根据果实形态,这五个属被分为两类,包括有翅和无翅类型,其中Pterocarya、Cyclocarya和Platycarya属于有翅类型,而Carya和Juglans属于无翅类型。根据系统发育树的结果,发现Juglans与Pterocarya之间的系统发育关系更为接近。尽管这两个属的果实形态完全不同,但Carya和Juglans的果实形态相似,系统发育关系较远。其次,Engelhardioideae亚科的物种关系密切,被分为两个主要支系,与Engelhardia(支系I)和Psilocarpeae(支系II)一致,并得到了强有力的支持(BS = 100%,PP = 1)。支系I包括E. spicata、E. spicata var. rigida、E. hainanensis、E. serrata、E. anminiana和E. villosa。支系II包括E. roxburghiana和E. fenzelii,这两者是姐妹种。第三,R. chiliantha是Rhoipteleoideae亚科中唯一的物种,在系统发育关系中位于胡桃科的基底,同时也是中国的濒危特有物种。
Juglandoideae亚科大约在69.01到78.13百万年前分化,跨越白垩纪到古新世。北热带假说为Juglandoideae亚科的起源和多样性提供了合理的解释,即在温暖的古新世和始新世期间,Juglandoideae亚科的物种形成并迅速多样化,通过北大西洋陆桥和白令陆桥从北美扩散到欧洲和亚洲。然而,古新世极热期后发生的全球降温导致大多数物种灭绝。Cylocarya和Platycarya是东亚的特有种,而Pterocarya主要分布在南俄罗斯的高加索和东亚地区。Carya和Juglans在欧亚大陆的分布范围较广,这可能与它们坚果状的果实形态有关,有利于动物的传播和传播。根据我们的结果,Carya和Juglans的分化时间约为64.98百万年前,Juglans和Pterocarya的分化时间约为46.29百万年前,Pterocarya和Cyclocarya的分化时间约为54.10百万年前。因此,我们推测Juglandoideae亚科内的分化事件发生在很久以前,并经历了漫长的进化过程。
Engelhardioideae亚科的两个支系的分化时间约为27.64到46.11百万年前,主要发生在早始新世到中渐新世。Engelhardia果实的最早化石记录出现在南美洲和北美洲,最古老的Alatonucula ignis化石在阿根廷的早始新世地层中被发现。同时,在美国阿拉斯加的中新世地层中发现了一种化石(Palaeocarya olsoni)。这意味着这些分类群在始新世期间广泛存在于北半球和南半球的部分地区。或许由于古新世的高温,Engelhardia的物种广泛分布于高纬度地区。根据在中国海南岛晚始新世地层中发现的最早Palaeocarya果实化石,表明Engelhardia植物在晚始新世开始占据热带亚洲,而物种多样性在渐新世和中新世时期出现。
总之,我们的研究使用80个编码序列(CDs)准确估计了胡桃科物种的分化时间。我们发现胡桃科物种具有复杂的进化历史和物种多样性,这可能受到地理变化、气候变化和动物共同进化的影响。
结论
本研究分析了新测序的八种黄杞属(Engelhardia)物种的叶绿体基因组特征,并澄清了叶绿体基因组的基本结构为典型的四分体结构。发现了三个突变热点区域,可以作为推断系统发育分析和物种鉴定的潜在分子标记。InDels可能是Juglandoideae和Engelhardioideae叶绿体进化的重要驱动因素。自然选择和突变共同影响了胡桃科及其三个亚科的密码子使用模式,其中突变压力起主要作用。系统发育结果充分支持Engelhardia作为一个单系群,包括两个组,以及胡桃科分为三个亚科。分化时间分析揭示Engelhardia起源于晚白垩世,并在晚始新世多样化,而胡桃科起源于早白垩纪早期,并在白垩纪中期分化。总体而言,本研究表明,叶绿体基因组序列提供了变异信息,有助于解析系统发育关系,并帮助理解物种如何适应多样的生态栖息地。
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