Mitogenomele speciilor Cistanche sugerează diversitate și complexitate în mitogenoamele ordinului Lamiales

Abstract

Diversitatea extremă și complexitatea angiospermelor este bine cunoscută. În ciuda faptului că plantele parazite sunt angiosperme, se știe puțin despre diversitatea mitogenomică, complexitatea și evoluția plantelor parazite. În acest studiu, am obținut și caracterizat mitogenomul a trei specii de Cistanche (plante holoparazitare) din China pentru a compara repetele, duplicarea segmentelor și genele care codifică proteine ​​(PCG) cu mai multe copii, pentru a clarifica relația filogenetică și de evoluție în cadrul ordinului Lamiales. și pentru a identifica inserțiile de plastide mitocondriale (MTPT) înCistanche mitogenome. Rezultatele au arătat că dimensiunile mitogenomului celor trei specii de Cistanche au variat de la 1.708.661 la 3.978.341 bp. TheSpecie Cistanchegenomul codifică 75–126 gene, inclusiv 37–65 PCG, 31–58 gene ARNt și 3–5 gene ARNr. În comparație cu alte Lamiales și specii parazitare,Specie Cistancheau arătat rate extrem de ridicate de PCG cu mai multe copii, variind de la 0,13 la 0,58 la sută din numărul total de PCG. În plus, 37-133 de repetare a secvenței simple (SSR) au fost găsite în acești trei mitogenomi, dintre care majoritatea erau mononucleotidele Adenină/Timină. Repetările intercalate au conținut repetări înainte și palindromice. Mai mult, dimensiunea secvenței de duplicare a segmentului a variat de la 199.584 la 2.142.551 bp, reprezentând 24,9%, 11,7% și 53,9% din Cistanche deserticola,Salsa CistancheșiCistanche tubulosamitogenomul, respectiv. În plus, analiza Ka/Ks a sugerat că atp4, ccmB, ccmFc și matR au fost probabil selectate pozitiv în timpul evoluției Lamiales. TheCistancheplastomul a sugerat prezența MTPT. În plus, 6-12 fragmente de ARNt, 9-15 fragmente PCG și 3 fragmente de genă ARNr înCistanche mitogenomeau fost găsite în regiunile MTPT. Această lucrare raportează pentru prima dată mitogenomul speciei Cistanche, care va fi de neprețuit pentru studiul evoluției mitogenomuluiFamilia Orobanchaceae.

Faceți clic aici pentru a cunoaște funcția Cistanche Tubulosa

Cuvinte cheie:Cistanche, mitogenom, MTPT, repetare, duplicare segment, PCG cu mai multe copii, rata de substituție

CERE MAI MULTE DETALII;

wallence.suen@wecistanche.com

1. Introducere

TheSpecie Cistanchesunt un grup de plante parazite nefotosintetice.Cistancheeste un gen Lumea Veche cu aproximativ două duzini de specii. Ele au fost împărțite în patru clade bine susținute și diferențiate geografic: Clade Asia de Est, Clade Africa de Nord-Vest, Clade Asia de Sud-Vest și Clade răspândită [1]. Genul Cistanche aparține familiei Orobancheaceae. Familia Orobanchaceae conține aproximativ 2000 de specii (în mare parte plante parazite) în 90-115 genuri și aparține ordinului Lamiales [2]. În funcție de nevoia unei gazde de a-și finaliza ciclul de viață, plantele Orobancheaceae sunt de obicei clasificate ca paraziți obligatorii și facultativi. În plus, în funcție de capacitatea lor de fotosinteză, plantele Orobancheaceae sunt împărțite într-un grup cu activitate fotosintetică (hemiparaziți) și un grup fără activitate fotosintetică (holoparaziți) [3]. Familia Orobanchaceae este un excelent sistem model pentru studiul evoluției parazitismului la plante [4].

Studiile anterioare au arătat că dimensiunea genomului, structura genomului și conținutul geneiOrobanchaceae(plante parazitare) plastomii variază dramatic în comparație cu alte plante angiosperme [5,6]. În plus, pierderea severă a genelor și pseudogenizarea în interiorOrobanchaceaes-au găsit plastomi de specii [7]. Până în prezent, 46 completOrobanchaceaeGenomul plastidelor a fost depus în GenBank, în timp ce doar unulOrobanchaceaemitogenomul a fost depus. Mitogenomul complet al unuiSpecia Orobanchaceae, Castilleja paramensis, are cea mai mică rată de pierdere a genelor (7,69 la sută) dintre cele șapte specii Orobanchaceae. Nivelul scăzut de pierdere a genelor în mitogenom sugerează că plantele parazite au încă o funcție mitocondrială tipică [8].

Primul mitogenom complet de la vâsc parazit a prezentat, de asemenea, o degradare semnificativă [9]. În plus, mitogenomul parazit despre care au fost publicate rapoartele anterioare au fost foarte divergenți în multe aspecte, inclusiv dimensiunea genomului, structura genomului, pierderea genelor etc. De exemplu, mitogenomul Viscum scurruloideum avea o dimensiune de 66 kb, cu unul circular și unul liniar. cromozomul [9]. Mitogenomul Gastrodia elata era de 20 de ori mai mare decât cel al V. scurruloideum și conținea 12 cromozomi circulari și 7 cromozomi liniari [10]. Nu se știe, totuși, dacă această observație se aplică în general altor plante parazite în ceea ce privește structurile genomului.

Mitocondriile sunt organele care participă la o varietate de activități metabolice legate de generarea, sinteza și distrugerea energiei [11]. Cea mai cunoscută funcție a mitocondriilor este fosforilarea oxidativă, care utilizează gradientul de protoni pentru a produce ATP pentru activitatea metabolică [12]. În general, mitogenomul reprezintă informația genetică mitocondrială. În comparație cu cele ale animalelor și ciupercilor, mitogenomul plantelor prezintă multe caracteristici unice. Dimensiunile mitogenomilor la angiosperme variază de la 200 kb la 11 Mb și diferă foarte mult între specii [9,13]. Majoritatea mitogenomurilor de angiosperme conțin 24 până la 41 de PCG și 2 sau 3 gene ARNr [14,15,16,17]. Expansiunea mitogenomului este alimentată în mare măsură de dublările ADN și de inserția de ADN străin, cum ar fi ADN-ul nuclear, ADN-ul derivat din plastide (denumite inserții de plastide mitocondriale, MTPT) și chiar transferurile de gene orizontale (HGT) [15,18,19] ].

În plus, ratele de substituție sinonime sunt de obicei destul de scăzute în mitogenomul plantelor și sunt similare între PCG. O cantitate surprinzătoare de variație sinonimă a ratei a fost, de asemenea, observată în PCG-urile mitocondriale ale unor plante [20]. Variabilitatea secvențelor mitocondriale de mai sus și a PCG-urilor a stârnit interesul cercetătorilor pentru mitogenom. Până în prezent, în GenBank au fost depuși 8592 de plastomi completi, în timp ce doar 457 de mitogenomi completi de plante au fost depuși. Prin urmare, este necesar să se studieze mitogenomul plantelor.

Cel maiSpecie Cistanchesunt folosite în mod tradițional ca plante medicinale. În special,C. deserticolaeste cunoscut sub numele de ginseng de deșert pentru efectele sale hrănitoare [21]. Mai multe studii au raportat componentele chimice șiefecte farmacologicedeSpecie Cistanche[22,23,24]. Anterior, am raportat caracteristicile a patru plastomi Cistanche din China și am constatat că plastomii Cistanche erau semnificativ diferiți de cei ai altor angiosperme [25]. În schimb, studiul mitogenomului speciilor Cistanche este încă la început.

tabelul 1

În această lucrare, pentru prima dată, am secvențiat, asamblat și caracterizat trei mitogenomuri complete ale speciilor Cistanche pentru: (1) remedierea lipsei de cunoaștere a mitogenomului Cistanche; (2) explorează complexitatea și diversitatea mitogenomurilor Cistanche în ceea ce privește dimensiunea genomului, PCG-uri cu mai multe copii, repetarea, duplicarea segmentelor, relația filogenetică și rata de substituție; și (3) analiza MTPT în mitogenomul Cistanche. Rezultatele acestui studiu vor oferi informații neprețuite pentru evoluția Cistanche-mitogenom.

Se știe că PCG-urile mitocondriale sunt variabile în structură genetică. Genele funcționale au fost împărțite în trei clase: genă care nu conține intron, genă trans-spliced ​​și cis-spliced. Majoritatea PCG-urilor aparținând acelorași categorii funcționale au împărtășit structuri genetice similare. Am descoperit că patru, șapte și opt PCG au fost gene trans-spliced ​​în C. deserticola (ccmFc, cox1, nad4 și nad7), C. salsa (atp1, ccmFc, cob, nad7, rpl2, rps3 și rps10) și C. tubulosa (ccmFc, cox1, nad4, nad5, nad7, rpl10, rps3 și respectiv rps12) (Tabelul 2). În plus, am descoperit că trei, patru și două PCG au fost gene cis-spliced ​​în C. deserticola (nad1, nad2 și nad5), C. salsa (nad1, nad2, nad4 și nad5) și C. tubulosa (nad1 și nad2) , respectiv (Tabelul 2). În special, PCG-urile plastidelor (rpl16 și rps14) erau probabil două pseudogene (Tabelul 2).

2.2. Comparația genelor de codificare a proteinelor cu mai multe copii (PCG) în cele trei specii de Cistanche și alte opt mitogenomi lamiales și șase specii parazitare

Am comparat dimensiunea mitogenomului, conținutul GC și copia PCG a speciilor Cistanche și a altor specii Lamiales cu mitogeomele publicate. Speciile Lamiales publicate au inclus Boea hygrometrica, Mimulus guttatus, Ajuga reptans, Salvia miltiorrhiza, Hesperelaea palmeri, Castilleja paramensis, Utricularia reniformis și Rotheca serrate (Tabelul S2). Conținutul lor de GC a variat de la 43,27 la 45,5 la sută, care au fost destul de similare (Tabelul 1 și Tabelul S2). Cu toate acestea, dimensiunile acestor mitogenom au fost extrem de variabile (Figura 1, Tabelul 1 și Tabelul S2). Mitogenomul C. tubulosa (3.978.341 bp) a fost cel mai mare; dimensiunea sa a fost de 11,3 ori mai mare decât cel mai mic mitogenom (A. reptans, 352,069 bp) (Tabelul 1 și Tabelul S2). Mitogenoamele Cistanche au fost cele mai mari dintre toate mitogenomele găsite în ordinul Lamiales. Pentru a determina dacă au existat corelații între numerele de copii ale PCG și dimensiunea mitogenomului, au fost comparate numerele de copiere a PCG din acești 11 mitogenomi. Dublarea PCG-urilor a fost observată în toate mitogenomul Lamiales. Gradul de duplicare a fost deosebit de ridicat în genul Cistanche (Figura 1). PCG-urile mitocondriale au fost împărțite în două categorii, gene de bază și gene variabile, conform unui studiu anterior [9]. Dintre mitogenomii Cistanche, proporția genelor de bază duplicate a variat de la 13 la sută la 58 la sută, în următoarea ordine: C. tubulosa (58 la sută), C. salsa (25 la sută) și C. deserticola (13 la sută) (Figura 1). și Tabelul S4). Proporția de gene variabile duplicate a variat între 0-35 la sută, în următoarea ordine: C. tubulosa (35 la sută), C. deserticola (6 la sută) și C. salsa (0 la sută) (Figura 1 și tabelul) S4). Printre alte specii de Lamiales, duplicarea genelor de bază a fost prezentă numai în mitogenomul H. palmeri și U. reniformis (Figura 1). În plus, duplicarea genelor variabile a fost prezentă în mitogenomii E. guttata, H. palmeri și U. reniformis (Figura 1).

figura 1

Dimensiunea genomului și conținutul de gene care codifică proteinele în mitogenomul a 11 specii de Lamiales.

De asemenea, am comparat dimensiunea, conținutul de GC și numărul de copii PCG ale mitogenomului de la specia Cistanche și mai multe plante parazite, inclusiv C. paramensis, Cynomorium coccineum, Epirxanthes elongate, Lophophytum mirabile, Viscum album și V. scurruloideum (Tabelul S5). Conținutul lor de GC a variat de la 43,52 la 47,4 la sută, care au fost destul de similare (Tabelul 1 și Tabelul S5). Cu toate acestea, dimensiunile acestor mitogenom au variat foarte mult (Figura S4, Tabelul 1 și Tabelul S5). Cel mai mic mitogenom a fost de la V. scurruloideum (65.873 bp). Mitogenomul Cistanche a rămas cel mai mare dintre plantele parazite (Figura S4, Tabelul 1 și Tabelul S5). Este de remarcat faptul că dimensiunea mitogenomului C. coccineum, o plantă holoparazită, a fost, de asemenea, de peste 1 Mb (Tabelul S5).

În plus față de C. paramesis, V. scurruloideum și V. album, duplicarea PCG-urilor a fost prezentă și în mitogenomii plantelor parazite (Figura S4 și Tabelul S6). Dintre mitogenomii Cistanche, proporția de gene de bază duplicate a variat de la 13 la sută la 0,63 la sută, în următoarea ordine: C. tubulosa (63 la sută), C. salsa (25 la sută) și C. deserticola ( 13 la sută) (Figura S4 și Tabelul S6). În plus, proporția de gene variabile duplicate a variat de la {{10}}–35 la sută, în următoarea ordine: C. tubulosa (35 la sută), C. deserticola (6 la sută) și C. deserticola (0). ) (Figura S4 și Tabelul S6). În general, C. tubulosa și C. coccineum au avut cele mai mari proporții de gene de bază duplicate și gene variabile (Figura S4 și Tabelul S6).

2.3. Identificarea MTPT-urilor

Pentru a identifica MTPT-urile din mitogenomul Cistanche, am comparat secvențele mitogenomului Cistanche cu secvențele lor de plastom. Pentru C. deserticola, s-au găsit 158 ​​de perechi de segmente cu scor înalt (HSP). Aceste 158 de fragmente aveau o lungime totală de 35.165 bp, reprezentând 1,89% din lungimea mitogenomului (Figura S5). Lungimea fragmentului a variat de la 33 la 1156 bp. Rezultatele adnotate au arătat că toate erau gene plastidice, inclusiv 11 gene complete de ARNt: trnV-GAC (2), trnN-GUU, trnM-CAU, trnW-CCA (2), trnS-GGA (2), trnS-GCU ( 2) și trnS-GGA. Mai mult, nouă fragmente au fost adnotate ca PCG plastide parțiale: rpl2 (170 bp), ycf2 (276, 387, 216, 61, 36, 61 bp), rps14 (199 bp) și rps4 (193 bp). Fragmentele rămase au fost identificate ca ARN-uri de ribozom plastid (rrn 5, 16S și 23) (Tabelul S7).

Pentru C. salsa, au fost identificate 128 HSP. Aceste 128 de fragmente aveau o lungime totală de 28.963 bp, reprezentând 1,64% din lungimea mitogenomului (Figura S6). Lungimea fragmentului a variat de la 33 la 1155 bp. Rezultatele adnotate au arătat că toate au fost gene plastidice, inclusiv 12 gene tARN complete: trnS-GGA (5), trnN-GUU (2), trnD-GUC (2), trnW-CCA, trnM-CAU și trnV-GAC. Mai mult, nouă fragmente au fost adnotate ca PCG plastide parțiale: rps4 (193 bp), rps14 (199,193 bp) și ycf2 (216, 170, 61, 387, 276, 396 bp). Fragmentele rămase au fost identificate ca ARN-uri de ribozom plastid (rrn 5, 16S și 23) (Tabelul S8).

Pentru C. tubulosa, au fost găsite 139 HSP. Aceste 139 de fragmente aveau o lungime totală de 26.911 bp, reprezentând 0,68% din lungimea mitogenomului (Figura S7). Lungimea fragmentului a variat de la 35 la 1156 bp. Rezultatele adnotate au arătat că toate au fost gene plastid, inclusiv șase gene complete de ARNt: trnD-GUC (2), trnN-GUU, trnD-GUC, trnN-GUU și trnR-ACG. Mai mult, 15 fragmente au fost adnotate ca PCG plastidice parțiale: ycf2 (128, 81, 110, 81, 257, 110, 110, 128, 77 bp), ycf1 (580, 580 bp), accD (243, 31, 243 bp) 2 şi rpl2 (138 pb). Fragmentele rămase au fost identificate ca ARN ribozom plastid (rrn 5, 16S și 23) (Tabelul S9).

Diversitatea extremă și complexitatea angiospermelor este bine cunoscută. În ciuda faptului că plantele parazite sunt angiosperme, se știe puțin despre diversitatea mitogenomică, complexitatea și evoluția plantelor parazite. În acest studiu, am obținut și caracterizat mitogenomul a trei specii de Cistanche (plante holoparazitare) din China pentru a compara repetele, duplicarea segmentelor și genele de codificare a proteinelor (PCG) cu mai multe copii, pentru a clarifica relația filogenetică și de evoluție în cadrul ordinului Lamiales. și pentru a identifica inserțiile de plastid mitocondrial (MTPT) în mitogenomii Cistanche. Rezultatele au arătat că dimensiunile mitogenomului celor trei specii de Cistanche au variat între 1,708.661 și 3.978.341 bp. Genomul speciei Cistanche codifică 75–126 gene, inclusiv 37–65 PCG, 31–58 gene ARNt și 3–5 gene ARNr. În comparație cu alte Lamiales și specii parazitare, speciile Cistanche au prezentat rate extrem de ridicate de PCG-uri multi-copie, variind de la 0,13 la 0,58% din numărul total de PCG. În plus, 37-133 de repetare a secvenței simple (SSR) au fost găsite în acești trei mitogenomi, dintre care majoritatea erau mononucleotidele Adenină/Timină. Repetările intercalate au conținut repetări înainte și palindromice. În plus, dimensiunea secvenței de duplicare a segmentului a variat de la 199.584 la 2.142.551 bp, reprezentând 24,9%, 11,7% și 53,9% din mitogenomul Cistanche deserticola, Cistanche salsa și, respectiv, Cistanche tubulosa. În plus, analiza Ka/Ks a sugerat că atp4, ccmB, ccmFc și matR au fost probabil selectate pozitiv în timpul evoluției Lamiales. Plastomul Cistanche a sugerat prezența MTPT. Mai mult, 6-12 fragmente de ARNt, 9-15 fragmente PCG și 3 fragmente de genă ARNr în mitogenomul Cistanche au fost găsite în regiunile MTPT. Această lucrare raportează pentru prima dată mitogenomul speciei Cistanche, care va fi de neprețuit pentru studiul evoluției mitogenomului familiei Orobanchaceae.