来自中国科学院昆明植物研究所的研究人员发表了题为“Rapid Sequencing of the Bamboo Mitochondrial Genome Using Illumina Technology and Parallel Episodic Evolution of Organelle Genomes in Grasses”的文章,利用第二代测序技术Illumina测定了6种竹子的叶绿体基因组全序列,并且发现Illumina测序序列中还包含了大量来自线粒体基因组的序列,相关成果公布在《公共科学图书馆—综合》( PLoS ONE )杂志上。 这项研究由中国科学院昆明植物研究所博士生马朋飞在李德铢研究员和郭振华研究员的指导下完成,得到了国家自然科学基金项目(31170204)、中国科学院知识创新工程项目(KSCX-YW-N-029和KSCX2-YW-N-067)和云南省创新团队的支持。 同动物的线粒体基因组相比,植物的线粒体基因组有着十分独特的进化方式,如具有较大的基因组、极低的分子进化速率和相对较频繁的基因组结构上的变异等特性。目前,植物线粒体基因组大都通过传统的Sanger法进行测序,需要耗费大量的人力和物力,严重限制了植物线粒体基因组的测序,进而导致对其独特进化方式的研究进展缓慢。第二代测序技术的出现为大规模测序基因组序列提供了可能,这些技术现已成功应用于植物叶绿体基因组的测序,但是其在植物线粒体基因组测序上的应用尚缺乏深入的研究。 在这篇文章中,研究人员利用第二代测序技术Illumina测定了6种竹子的叶绿体基因组全序列,并且发现Illumina测序序列中还包含了大量来自线粒体基因组的序列,这些序列是否可以通过拼接而获得较完整的线粒体基因组序列,从而为测序植物线粒体基因组提供新的途径?该研究选取了其中的裂箨铁竹(Ferrocalamus rimosivaginus)进行拼接,共得到432,839 bp的序列,分布于13个scaffolds和1个contig上,测序覆盖度为39.5×。与已知的禾本科植物线粒体基因组相比,几乎所有的线粒体编码基因都在拼接序列中得到了注释。此外,通过PCR利用传统的Sanger测序法对所拼接序列进行了大规模的验证,证实了拼接序列的可靠性和准确性,利用第二代测序技术测序植物线粒体基因组将是一种行之有效的新方法。 此外,该研究还基于31个线粒体蛋白质编码基因构建了21种被子植物的系统发育树,并且系统关系得到了很高的支持。线粒体序列所构建的系统关系同基于叶绿体序列所得到的系统关系几乎一致,但是在禾本科BEP的单系问题上,两者所支持的系统关系存在着严重冲突,进一步的分析表明这一冲突可能是由线粒体系统树中的长枝吸引所造成的。基于所构建的系统树,探讨了禾本科线粒体基因组序列的进化速率在进化历史中的变化,发现在禾本科分化之前其线粒体基因组序列有着相对较快的进化速率,约为其分化之后进化速率的4倍。这一分子进化速率的变化同禾本科叶绿体基因组有着相似的进化模式,对于这种现象的解释还需要作进一步的研究。 Rapid Sequencing of the Bamboo Mitochondrial Genome Using Illumina Technology and Parallel Episodic Evolution of Organelle Genomes in Grasses 科学网 添加于 2012-2-21 12:49:36 232次阅读 | 0次推荐 | 0个评论 Compared to their counterparts in animals, the mitochondrial (mt) genomes of angiosperms exhibit a number of unique features. However, unravelling their evolution is hindered by the few completed genomes, of which are essentially Sanger sequenced. While next-generation sequencing technologies have revolutionized chloroplast genome sequencing, they are just beginning to be applied to angiosperm mt genomes. Chloroplast genomes of grasses (Poaceae) have undergone episodic evolution and the evolutionary rate was suggested to be correlated between chloroplast and mt genomes in Poaceae. It is interesting to investigate whether correlated rate change also occurred in grass mt genomes as expected under lineage effects. A time-calibrated phylogenetic tree is needed to examine rate change. 作 者: Peng-Fei Ma, META name=citation_author_institution content="Key Laboratory of Biodiversity and Biogeography, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming, Yunnan, People's Republic of China, meta name=" citation_author_institution? citation_author_institut 期刊名称: PLoS ONE 期卷页: 2012/1/17 第7卷 第1期 e30297~页 学科领域: 生命科学 遗传学与生物信息学 植物遗传学 添加人是否为作者: 否 原文链接: http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0030297 DOI: ISBN: 1932-6203 关键词: 相关报道: http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20122211443778722474.shtm 叶绿体基因组的进化 起源研究 关于叶绿体的起源,目前大家普遍认可的是“内共生”理论(endosymbiotic theory) ,即叶绿体来源于原始的古细菌蓝藻(cyanobacerium). 在这次事件中,具备光合能力的蓝藻首先被没有光合能力的单细胞真核原生生物吞噬,进一步被控制,最终形成相互依赖关系,逐步演化成后面3个主要种群,即绿藻(green algae)、红藻(red algae)和褐藻(glaucophyte algae),其中部分藻类还进行了第2 次共生,第3次共生,甚至第4次共生. 这3个种群之间的关系还不是十分清晰,但褐藻一个明显的特征是其叶绿体结构中二层胞膜之间还保留来自祖先蓝藻的肽聚糖壁的遗迹,而另外2个种群则没有保留下来. 通过分析一种褐藻(Cyanophora paradoxa)叶绿体编码的蛋白质序列,发现这种褐藻比绿藻和红藻的分化时间要早. 最古老的真核生物种群化石证明,红藻的首次出现大约是在一亿二千万年前,支持此学说的证据还包括发现了一种光合细胞器蓝小体,结构类似蓝藻,DNA和叶绿体相似,是介于二者之间的一种过渡结构. 除此之外,叶绿体细胞分裂的机制还部分类似于其原核生物的祖先. 基因的转移和丢失 在不同的共生事件中,大量共生体基因转移到寄主细胞的核基因组中,这个过程发生的时间跨度上千万年,而且系统发生学研究证明这个过程仍然在继续进行当中. 实际上,我们经常可以在植物的核基因组里发现叶绿体基因的片段,如在烟草、水稻等植物中都发现了基因转移的证据,而拟南芥(Arabidopsis thaliana)核基因组序列则揭示了高达18%的基因是祖先蓝藻通过内共生途径转移到核里的. 在基因转移的同时,也有很多基因发生了丢失,如被子植物里的accD, ycf1, ycf2, rpl23, rpl22,infA, rps16, ycf4等基因都部分或者全部从豆科植物中的叶绿体基因组丢失了,有的基因(如infA) 的丢失甚至还发生了多次. 有些转移并整合到核基因组的基因,如rpl22和rpoA,其编码的蛋白质以转移肽的方式从核内运输到叶绿体中执行功能,而菠菜(Spinacia oleracea)中一个假基因rpl23的功能则被核内的基因所替代. FtsZ基因是几种fts(Filamentous temperature-sensitive) 蛋白中的一种,在细胞分裂当中起关键作用,它是定位在原核细胞叶绿体当中的,但后来在拟南芥核基因组中发现了相同序列,不但说明其起源于叶绿体基因组,而且也证实了基因从叶绿体当中向核基因组的转移.叶绿体基因除了向核基因组转移外,还可以向线粒体中转移,但似乎这种转移仅在高等植物中出现,而在苔藓、绿藻和红藻中没有发现. 转移到线粒体中的基因往往变成没有功能的假基因,只有在极少数情况下会整合到线粒体基因组中并发挥作用,例如玉米(Zea mays)中的trnM基因就从叶绿体中插入到线粒体基因组中并大量表达.尽管知道基因转移在高等植物中经常发生,但对其究竟如何转移,又如何整合到核基因组中的内在机理却知之甚少,仅知道染色体断裂、DNA的修复功能在其中起一定作用. 重要作物叶绿体基因组的研究及其进化关系比较 在目前已经得到的82组不同物种叶绿体基因组的序列中,被子植物共占46组,其中双子叶植物37组和单子叶植物9组,裸子植物3组,其他包括苔藓类、藻类等低等原生生物共33组. 基因数量最多的是条斑紫菜,为264个;最少的是一种寄生性绿藻(Helicosporidium sp.ex Simulium jonesii), 为54个. 科学家在新喀里多尼亚岛(New Caledonia)上发现一种常绿灌木(Amborella trichopoda),被认为是最古老被子植物惟一现存的代表,可能代表裸子植物和被子植物之间分化刚开始时关键的中间状态,其叶绿体序列已公布,共有133个基因,其中编码蛋白质的基因有86个. 重要作物叶绿体基因组的研究非常重要. 目前,许多作物如水稻、小麦(Triticum aestivum)、玉米、大豆(Glycine max)等的叶绿体基因组序列已测定. 同时,新的序列不断出现,本研究小组关于大麦(Hordeum vulgare)、高粱(Soughum bicolor)和草坪草(Agrostis stolonifera)叶绿体基因组序列的研究论文前不久刚发表. 这几种作物叶绿体基因组序列的特征上,其A+T含量基本一致,水稻为61.1%,小麦为61.7%,玉米为61.5%,大麦为61.9%,高粱为61.5%,草坪草为61.55% . 大豆叶绿体基因组的序列特征和其他被子植物差别较大,A+T含量比较高,为66%,而且在LSC区域的rbcL基因和rps16基因之间有一个约51kb的序列倒置片段,这个现象在其他豆科植物如百脉根(Lotus japonicus)和苜蓿也同样存在. 通过比较水稻、小麦和玉米的叶绿体基因组,发现了一些容易产生突变的热点区域,而且串联的tRNA区域和其下游的rbcL表现出种属特异性,IR区域里面开放阅读框的删除方式和IR与SSR的边界特征表明,水稻和小麦之间的亲缘关系比玉米更密切. 一般的研究只用一个叶绿体基因组的基因研究禾本科的进化关系,很难明确其关系,而Matsuoka等用106个基因进行研究,用烟草作为参照,通过对水稻、小麦和玉米叶绿体基因组的比较,发现86.8%的基因进化速率一致,相对其他基因,RNA基因的进化高度保守,同时也得出明确结论,支持水稻(竹亚科)和小麦(早熟禾亚科)之间的关系更加紧密的论点,说明玉米(黍亚科)在草本植物进化的早期就和水稻、小麦开始分化了.Wolfe等利用叶绿体基因组的DNA序列分析结果估计,单子叶和双子叶植物最初分化发生在约2亿年前,而分析细胞核中编码rRNA大小亚基的基因序列得到了相似的结论. 2004年,通过比较野生稻与栽培稻的叶绿体基因组,揭示了二者之间的差别,野生稻整个叶绿体基因组有57个插入,61个删除和159个碱基的置换. 在置换当中,颠换(transversion)的频率要比转换(transition)的频率高得多. 插入和删除多发生在IR区域的编码区,而此区域则很少发生置换.Tang等通过比较典型籼稻和粳稻的叶绿体基因组序列,认为二者叶绿体基因组的分化时间大约发生在8.6万年到20万年前之间.玉米叶绿体基因组序列的研究表明,在IR区域内,编码蛋白质基因的核酸替换比率显著减少,预示着IR区域的存在可能会增加这个区间内基因的遗传稳定性。
昆明植物所在四川雅砻江河谷发现残遗植物新种 来源:生物多样性与生物地理学重点实验室作者:岳亮亮2011-10-24浏览次数: 285 近日,中国科学院昆明植物研究所孙航研究员的团队同云南师范大学合作在横断山区四川新龙县雅砻江河谷的考察中发现重要残遗植物新种——雅砻江冬麻豆(Salweenia bouffordiana)。 人们一直以来都认为中国特有属冬麻豆属(Salweenia)仅一种,为古地中海残遗下来的物种。科研人员在野外采集中发现,生长于雅砻江干热河谷的冬麻豆与生长于澜沧江、怒江河谷的冬麻豆居群在形态上有着显著的差异,并通过形态学、细胞学、分子生物学等手段进一步研究,确认生长在四川新龙县附近雅砻江干暖河谷分布的冬麻豆为一新种,定名为雅砻江冬麻豆 Salweenia bouffordiana ,并在国际植物分类学权威SCI期刊Taxon上发表。新种的模式标本也存放在世界各大主要标本馆,供各国研究者研究使用。 冬麻豆属是中国横断山区著名的特有古老的残遗植物,原记载仅1种即冬麻豆Salweenia wardii。雅砻江冬麻豆的发现使该属成为含2种的属。前者冬麻豆仅分布在西藏东南部八宿等怒江及其支流河谷和西藏昌都到察雅澜沧江河谷。新种雅砻江冬麻豆的发现不仅在冬麻豆属等类群的系统进化关系的研究上有重要意义,而且对探讨横断山区河流水系变迁也有特殊的意义。目前雅砻江冬麻豆仅局限在四川新龙县雅龙江河谷非常狭下的地段上,受人为活动干扰剧烈,种群数量较少,出于极度濒危状态,亟待保护。 Yue, X. K., J. P. Yue, et al. (2011). "Systematics of the genus Salweenia (Leguminosae) from Southwest China with discover of a second species." Taxon 60(5): 1366-1374.