Mitogenomi vrste Cistanche kažejo na raznolikost in zapletenost mitogenom reda Lamiales

Povzetek

Izjemna raznolikost in kompleksnost kritosemenk je dobro znana. Kljub dejstvu, da so parazitske rastline kritosemenke, je malo znanega o mitogenski raznolikosti, kompleksnosti in evoluciji parazitskih rastlin. V tej študiji smo pridobili in karakterizirali mitogenome treh vrst Cistanche (holoparazitske rastline) iz Kitajske, da bi primerjali ponovitve, podvajanje segmentov in gene za kodiranje beljakovin (PCG) z več kopijami, da bi razjasnili filogenetsko in evolucijsko razmerje znotraj reda Lamiales in za identifikacijo mitohondrijskih plastidnih vstavkov (MTPT) vCistanche mitogenomi. Rezultati so pokazali, da so velikosti mitogenoma treh vrst Cistanche v razponu od 1.708.661 do 3.978.341 bp. TheCistanche vrstegenom kodira 75–126 genov, vključno s 37–65 PCG, 31–58 genov tRNA in 3–5 genov rRNA. V primerjavi z drugimi vrstami Lamiales in parazitskimi vrstami jeCistanche vrsteje pokazal izjemno visoke stopnje multi-copy PCG-jev, ki segajo od 0.13 do 0.58 odstotkov skupnega števila PCG-jev. Poleg tega je bilo v teh treh mitogenomih najdenih 37–133 ponavljajočih se preprostih zaporedij (SSR), od katerih so večinoma predstavljali mononukleotidi adenin/timin. Razpršene ponovitve so vsebovale naprej in palindromske ponovitve. Poleg tega se je velikost zaporedja podvajanja segmentov gibala od 199.584 do 2.142.551 bp, kar predstavlja 24,9 odstotka, 11,7 odstotka in 53,9 odstotka Cistanche deserticola,Cistanche salsainCistanche tubulosamitogenoma oz. Poleg tega je analiza Ka/Ks pokazala, da so bili atp4, ccmB, ccmFc in matR verjetno pozitivno izbrani med evolucijo Lamiales. TheCistancheplastome predlagal prisotnost MTPT. Poleg tega je vCistanche mitogenomiso bili najdeni v regijah MTPT. To delo prvič poroča o mitogenomu vrste Cistanche, kar bo neprecenljivo za preučevanje evolucije mitogenomaDružina Orobanchaceae.

Kliknite tukaj, če želite izvedeti funkcijo Cistanche Tubulosa

Ključne besede:Cistanche, mitogenome, MTPT, ponovitev, podvajanje segmentov, PCG z več kopijami, stopnja substitucije

VPRAŠAJTE ZA VEČ PODROBNOSTI;

wallence.suen@wecistanche.com

1. Uvod

TheCistanche vrsteso skupina nefotosintetskih parazitskih rastlin.Cistancheje rod starega sveta z okoli dva ducata vrst. Razdeljeni so v štiri dobro podprte in geografsko diferencirane klade: vzhodnoazijski klad, severozahodnoafriški klad, jugozahodni azijski klad in široko razširjeni klad [1]. Rod Cistanche spada v družino Orobancheaceae. Družina Orobanchaceae vsebuje približno 2000 vrst (večinoma parazitskih rastlin) v 90–115 rodovih in spada v red Lamiales [2]. Glede na potrebo gostitelja, da zaključi svoj življenjski cikel, so rastline Orobancheaceae tipično razvrščene kot obvezni in fakultativni paraziti. Poleg tega se rastline Orobancheaceae glede na sposobnost fotosinteze delijo na skupino s fotosintetsko aktivnostjo (hemiparaziti) in skupino brez fotosintetske aktivnosti (holoparaziti) [3]. Družina Orobanchaceae je odličen modelni sistem za proučevanje evolucije parazitizma v rastlinah [4].

Prejšnje študije so pokazale, da velikost genoma, struktura genoma in vsebnost genovOrobanchaceae(parazitske rastline) se plastomi dramatično razlikujejo v primerjavi z drugimi kritosemenkami [5,6]. Nadalje, huda izguba genov in psevdogenizacija znotrajOrobanchaceaevrste plastomov [7]. Do danes 46 končanihOrobanchaceaeplastidnih genomov deponiranih v GenBank, medtem ko le enegaOrobanchaceaemitogenoma je deponiran. Celoten mitogenome anVrste Orobanchaceae, Castilleja paramensis, ima najnižjo stopnjo izgube genov (7,69 odstotka) med sedmimi vrstami Orobanchaceae. Nizka stopnja izgube genov v mitogenomih nakazuje, da imajo parazitske rastline še vedno tipično mitohondrijsko funkcijo [8].

Prvi popolni mitogenoma iz parazitske omele je prav tako pokazal znatno degradacijo [9]. Poleg tega so se parazitski mitogenomi, o katerih so bila objavljena prejšnja poročila, zelo razlikovali v številnih vidikih, vključno z velikostjo genoma, strukturo genoma, izgubo genov itd. Na primer, mitogenom Viscum scurruloideum je bil velik 66 kb, z enim krožnim in enim linearnim kromosom [9]. Mitogenom Gastrodia elata je bil 20-krat večji od mitogena V. scurruloideum in je vseboval 12 krožnih in 7 linearnih kromosomov [10]. Ni pa znano, ali to opažanje na splošno velja za druge parazitske rastline v smislu struktur genoma.

Mitohondriji so organeli, ki sodelujejo pri različnih presnovnih dejavnostih, povezanih z nastajanjem, sintezo in uničenjem energije [11]. Najbolj znana funkcija mitohondrijev je oksidativna fosforilacija, ki uporablja protonski gradient za proizvodnjo ATP za presnovno aktivnost [12]. Na splošno mitogenom predstavlja mitohondrijsko genetsko informacijo. V primerjavi z mitogenomi živali in gliv imajo rastlinski mitogenomi veliko edinstvenih lastnosti. Velikosti mitogenomov v kritosemenkah segajo od 200 kb do 11 Mb in se med vrstami zelo razlikujejo [9,13]. Večina mitogenomov kritosemenk vsebuje 24 do 41 PCG in 2 ali 3 gene rRNA [14,15,16,17]. Širjenje mitogenoma v veliki meri spodbujajo podvajanja DNK in vstavljanje tuje DNK, kot je jedrska DNK, DNK, pridobljena iz plastid (imenovana mitohondrijske plastidne insercije, MTPT), in celo horizontalni prenosi genov (HGT) [15,18,19]. ].

Poleg tega so stopnje zamenjave sinonimov običajno precej nizke v rastlinskih mitogenomih in so podobne med PCG. V mitohondrijskih PCG nekaterih rastlin so opazili tudi presenetljivo veliko variacije sinonimne hitrosti [20]. Variabilnost zgornjih mitohondrijskih zaporedij in PCG je vzbudila zanimanje raziskovalcev za mitogenome. Do danes je bilo v GenBank deponiranih 8592 popolnih plastomov, medtem ko je bilo deponiranih le 457 popolnih mitogenomov rastlin. Zato je treba preučiti mitogenome rastlin.

večinaCistanche vrstese tradicionalno uporabljajo kot zdravilna zelišča. Še posebej,C. deserticolaje znan kot puščavski ginseng zaradi svojih hranilnih učinkov [21]. Več študij je poročalo o kemičnih sestavinah infarmakološke učinkeodCistanche vrste[22,23,24]. Prej smo poročali o značilnostih štirih plastomov Cistanche na Kitajskem in ugotovili smo, da so bili plastomi Cistanche bistveno drugačni od tistih pri drugih kritosemenkah [25]. Nasprotno pa je preučevanje mitogenomov vrst Cistanche še v povojih.

Tabela 1

V tem delu smo prvič sekvencirali, sestavili in označili tri polne mitogenome vrste Cistanche, da bi: (1) odpravili pomanjkanje znanja o mitogenomih Cistanche; (2) raziskati kompleksnost in raznolikost mitogenomov Cistanche v smislu velikosti genoma, PCG z več kopijami, ponavljanja, podvajanja segmentov, filogenetskega razmerja in stopnje substitucije; in (3) analizirati MTPT v mitogenomih Cistanche. Rezultati te študije bodo zagotovili neprecenljive informacije za evolucijo Cistanche-mitogenoma.

Znano je, da so mitohondrijske PCG spremenljive genetske strukture. Funkcionalni geni so bili razdeljeni v tri razrede: gen, ki ne vsebuje introna, transspojiran in cissplit gen. Večina PCG-jev, ki pripadajo istim funkcionalnim kategorijam, je imela podobne genetske strukture. Ugotovili smo, da so bili štirje, sedem in osem PCG transspojnih genov v C. deserticola (ccmFc, cox1, nad4 in nad7), C. salsa (atp1, ccmFc, cob, nad7, rpl2, rps3 in rps10) in C. tubulosa (ccmFc, cox1, nad4, nad5, nad7, rpl10, rps3 oziroma rps12) (tabela 2). Poleg tega smo ugotovili, da so bili trije, štirje in dva PCG-ja cis-spojeni geni v C. deserticola (nad1, nad2 in nad5), C. salsa (nad1, nad2, nad4 in nad5) in C. tubulosa (nad1 in nad2) , oziroma (tabela 2). Predvsem sta bila plastidna PCG (rpl16 in rps14) verjetno dva psevdogena (tabela 2).

2.2. Primerjava genov, ki kodirajo beljakovine z več kopijami (PCG) v treh vrstah Cistanche in osmih drugih mitogenih Lamiales ter šestih parazitskih vrstah

Primerjali smo velikost mitogenoma, vsebnost GC in kopijo PCG vrste Cistanche in drugih vrst Lamiales z objavljenimi mitogeomi. Objavljene vrste Lamiales so vključevale Boea hygrometrica, Mimulus guttatus, Ajuga reptans, Salvia miltiorrhiza, Hesperelaea palmeri, Castilleja paramensis, Utricularia reniformis in Rotheca serrate (tabela S2). Njihove vsebnosti GC so se gibale od 43,27 odstotka do 45,5 odstotka, kar je bilo precej podobno (tabela 1 in tabela S2). Vendar pa so bile velikosti teh mitogenomov izjemno spremenljive (slika 1, tabela 1 in tabela S2). Mitogenom C. tubulosa (3.978.341 bp) je bil največji; njegova velikost je bila 11,3-krat večja od najmanjšega mitogenoma (A. reptans, 352, 069 bp) (tabela 1 in tabela S2). Mitogenomi Cistanche so bili največji med vsemi mitogenomi, najdenimi v redu Lamiales. Da bi ugotovili, ali obstajajo kakršne koli korelacije med številom kopij PCG in velikostjo mitogena, so primerjali število kopij PCG iz teh 11 mitogenomov. Podvajanje PCG so opazili v vseh mitogenomih Lamiales. Stopnja podvajanja je bila še posebej visoka v rodu Cistanche (slika 1). Glede na prejšnjo študijo [9] so mitohondrijske PCG razdelili v dve kategoriji, jedrne gene in variabilne gene. Med mitogenomi Cistanche se je delež podvojenih jedrnih genov gibal od 13 odstotkov do 58 odstotkov, v naslednjem vrstnem redu: C. tubulosa (58 odstotkov), C. salsa (25 odstotkov) in C. deserticola (13 odstotkov) (slika 1). in tabelo S4). Delež podvojenih variabilnih genov je znašal od 0–35 odstotkov, v naslednjem vrstnem redu: C. tubulosa (35 odstotkov), C. deserticola (6 odstotkov) in C. salsa (0 odstotkov) (slika 1 in tabela). S4). Med drugimi vrstami Lamiales je bilo podvajanje jedrnih genov prisotno samo v mitogenomih H. palmeri in U. reniformis (slika 1). Poleg tega je bilo podvajanje variabilnih genov prisotno v mitogenomih E. guttata, H. palmeri in U. reniformis (slika 1).

Slika 1

Velikost genoma in vsebnost genov, ki kodirajo beljakovine, med 11 mitogenomi vrst Lamiales.

Primerjali smo tudi velikost, vsebnost GC in število kopij PCG mitogenomov iz vrste Cistanche in več parazitskih rastlin, vključno s C. paramensis, Cynomorium coccineum, Epirxanthes elongate, Lophophytum mirabile, Viscum album in V. scurruloideum (tabela S5). Njihove vsebnosti GC so se gibale od 43,52 odstotka do 47,4 odstotka, kar je bilo precej podobno (tabela 1 in tabela S5). Vendar so se velikosti teh mitogenomov zelo razlikovale (slika S4, tabela 1 in tabela S5). Najmanjši mitogeno je bil iz V. scurruloideum (65.873 bp). Mitogenomi Cistanche so ostali največji med parazitskimi rastlinami (slika S4, tabela 1 in tabela S5). Omeniti velja, da je bila velikost mitogena C. coccineum, holoparazitske rastline, prav tako večja od 1 Mb (tabela S5).

Poleg C. paramesis, V. scurruloideum in V. album je bilo podvajanje PCG prisotno tudi v mitogenomih parazitskih rastlin (slika S4 in tabela S6). Med mitogenomi Cistanche se je delež podvojenih jedrnih genov gibal od 13 odstotkov do 0.63 odstotkov, v naslednjem vrstnem redu: C. tubulosa (63 odstotkov), C. salsa (25 odstotkov) in C. deserticola ( 13 odstotkov ) (slika S4 in tabela S6). Poleg tega se je delež podvojenih variabilnih genov gibal od {{10}}–35 odstotkov, v naslednjem vrstnem redu: C. tubulosa (35 odstotkov), C. deserticola (6 odstotkov) in C. deserticola (0 ) (Slika S4 in tabela S6). Na splošno sta imela C. tubulosa in C. coccineum največje deleže podvojenih jedrnih genov in spremenljivih genov (slika S4 in tabela S6).

2.3. Identifikacija MTPT

Za identifikacijo MTPT v mitogenomih Cistanche smo primerjali sekvence mitogenoma Cistanche z njihovimi plastomskimi sekvencami. Za C. deserticola je bilo najdenih 158 parov segmentov z visokimi točkami (HSP). Teh 158 fragmentov je bilo skupaj dolgih 35.165 bp, kar je predstavljalo 1,89 odstotka dolžine mitogena (slika S5). Dolžina fragmenta je bila od 33 do 1156 bp. Opisani rezultati so pokazali, da so bili vsi geni za plastide, vključno z 11 popolnimi geni tRNA: trnV-GAC (2), trnN-GUU, trnM-CAU, trnW-CCA (2), trnS-GGA (2), trnS-GCU ( 2) in trnS-GGA. Poleg tega je bilo devet fragmentov označenih kot delni plastidni PCG: rpl2 (170 bp), ycf2 (276, 387, 216, 61, 36, 61 bp), rps14 (199 bp) in rps4 (193 bp). Preostale fragmente smo identificirali kot plastidne ribosomske RNA (rrn 5, 16S in 23) (tabela S7).

Za C. salsa je bilo identificiranih 128 HSP. Teh 128 fragmentov je bilo skupaj dolgih 28.963 bp, kar je predstavljalo 1,64 odstotka dolžine mitogena (slika S6). Dolžina fragmenta je bila od 33 do 1155 bp. Opisani rezultati so pokazali, da so bili vsi geni za plastide, vključno z 12 popolnimi geni tRNA: trnS-GGA (5), trnN-GUU (2), trnD-GUC (2), trnW-CCA, trnM-CAU in trnV-GAC. Poleg tega je bilo devet fragmentov označenih kot delni plastidni PCG: rps4 (193 bp), rps14 (199.193 bp) in ycf2 (216, 170, 61, 387, 276, 396 bp). Preostale fragmente smo identificirali kot plastidne ribosomske RNA (rrn 5, 16S in 23) (tabela S8).

Za C. tubulosa je bilo najdenih 139 HSP. Teh 139 fragmentov je bilo skupno dolgih 26911 bp, kar je predstavljalo 0.68 odstotkov dolžine mitogena (slika S7). Dolžina fragmenta je bila od 35 do 1156 bp. Opisani rezultati so pokazali, da so bili vsi geni plastida, vključno s šestimi popolnimi geni tRNA: trnD-GUC (2), trnN-GUU, trnD-GUC, trnN-GUU in trnR-ACG. Poleg tega je bilo 15 fragmentov označenih kot delni plastidni PCG: ycf2 (128, 81, 110, 81, 257, 110, 110, 128, 77 bp), ycf1 (580, 580 bp), accD (243, 31, 243 bp) in rpl2 (138 bp). Preostale fragmente smo identificirali kot plastidno ribosomsko RNA (rrn 5, 16S in 23) (tabela S9).

Izjemna raznolikost in kompleksnost kritosemenk je dobro znana. Kljub dejstvu, da so parazitske rastline kritosemenke, je malo znanega o mitogenski raznolikosti, kompleksnosti in evoluciji parazitskih rastlin. V tej študiji smo pridobili in okarakterizirali mitogenome treh vrst Cistanche (holoparazitske rastline) iz Kitajske, da bi primerjali ponovitve, podvajanje segmentov in multi-copy protein-coding gene (PCG), da bi razjasnili filogenetsko in evolucijsko razmerje znotraj reda Lamiales in za identifikacijo mitohondrijskih plastidnih vstavkov (MTPT) v mitogenomih Cistanche. Rezultati so pokazali, da so velikosti mitogenoma treh vrst Cistanche v razponu od 1,708661 do 3978341 bp. Genom vrste Cistanche kodira 75–126 genov, vključno s 37–65 PCG, 31–58 genov tRNA in 3–5 genov rRNA. V primerjavi z drugimi vrstami Lamiales in parazitskimi vrstami je vrsta Cistanche pokazala izjemno visoke stopnje multi-copy PCG-jev, ki se gibljejo od 0.13 do 0,58 odstotka celotnega števila PCG-jev. Poleg tega je bilo v teh treh mitogenomih najdenih 37–133 ponavljajočih se preprostih zaporedij (SSR), od katerih so večinoma predstavljali mononukleotidi adenin/timin. Razpršene ponovitve so vsebovale naprej in palindromske ponovitve. Poleg tega se je velikost zaporedja podvajanja segmentov gibala od 199.584 do 2.142.551 bp, kar predstavlja 24,9 odstotka, 11,7 odstotka oziroma 53,9 odstotka mitogenoma Cistanche deserticola, Cistanche salsa in Cistanche tubulosa. Poleg tega je analiza Ka/Ks pokazala, da so bili atp4, ccmB, ccmFc in matR verjetno pozitivno izbrani med evolucijo Lamiales. Cistancheov plastom je predlagal prisotnost MTPT. Poleg tega so v regijah MTPT našli 6–12 tRNA, 9–15 fragmentov PCG in 3 genske fragmente rRNA v mitogenomih Cistanche. To delo prvič poroča o mitogenomu vrste Cistanche, kar bo neprecenljivo za preučevanje evolucije mitogenoma družine Orobanchaceae.