解析锦鸡儿属植物叶绿体基因组密码子使用偏好，助力种质创新与进化研究

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

【字体：大中小】 时间：2025年03月14日 来源：BMC Plant Biology 4.3

编辑推荐：

　　为探究锦鸡儿属植物分子机制，研究人员分析其叶绿体基因组密码子使用偏好，发现自然选择影响更大，为种质改良提供依据。

　　# 锦鸡儿属植物叶绿体基因组密码子使用偏好研究解读
在广袤的生态系统中，锦鸡儿属（Caragana）植物可是一群 “了不起的角色”。它们属于豆科（Leguminosae）蝶形花亚科（Papilionoideae），能在干旱、贫瘠的土地上顽强生长，是亚洲和欧洲干旱、半干旱地区的 “常客”。中国有 66 种锦鸡儿，其中 32 种为特有种。这些植物不仅能固氮，改善土壤肥力，在生态修复方面发挥重要作用，还具有药用价值，可治疗多种疾病。

然而，在分子生物学领域，锦鸡儿属植物仍有许多未知等待探索。其中，密码子使用偏好（codon usage bias）是一个关键问题。密码子是由三个相邻核苷酸组成的序列，负责编码生物体内的遗传信息。在编码 20 种天然氨基酸的 61 个密码子中，存在同义密码子（synonymous codons），即编码相同氨基酸的不同密码子。不同物种对同义密码子的使用频率存在差异，这种差异就是密码子使用偏好。了解锦鸡儿属植物的密码子使用偏好及其影响因素，对于揭示其分子进化机制、推动种质创新具有重要意义。但此前，相关研究并不充分，这一知识空白亟待填补。

为了解开这些谜团，青海大学的研究人员挺身而出，开展了一项针对 5 种锦鸡儿属植物 —— 树锦鸡儿（Caragana arborescens）、鬼箭锦鸡儿（Caragana jubata）、甘蒙锦鸡儿（Caragana opulens）、西藏锦鸡儿（Caragana tibetica）和新疆锦鸡儿（Caragana turkestanica）叶绿体基因组密码子使用偏好的深入研究。研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为该领域的发展提供了重要的理论支持。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们从青海西宁和海北藏族自治州采集样本，提取 DNA 后，利用 Illumina NovaSeq 平台对叶绿体基因组进行测序。之后，通过 SPAdes v3.10.1 软件进行基因组组装，再用 Blast v2.2.25 软件比对 CDS 序列，并结合 hmmerv3.1b2 和 ARAGORN v1.2.38 软件完成 rRNA 和 tRNA 序列注释。最后，运用生物信息学工具，如 EMBOSS-cusp 和 CodonW 1.4.2，对密码子使用相关参数进行计算和分析。

研究结果

密码子偏好性分析：研究发现，5 种锦鸡儿属植物叶绿体基因组的总 GC 含量在 36.00% - 37.10% 之间，密码子偏好性较弱，且偏好以 A 或 U 结尾的密码子。通过计算相关参数，如 GC₃s、CAI、FOP、ENC 和 RSCU 等，进一步分析密码子使用偏好。结果显示，ENC 值均在 35 - 60 之间，表明密码子偏好性弱；CAI 值大多接近零，CBI 值多为负数，FOP 值普遍较低，这些都反映出叶绿体基因表达水平相对较低12。
影响因素分析：通过中性绘图（Neutrality plot）、ENC 绘图（ENC - plot）和 PR2 绘图（PR2 - plot）等分析方法，研究人员探究了影响密码子使用偏好的因素。中性绘图分析表明，自然选择在塑造密码子使用偏好中起主要作用；ENC 绘图分析显示，大部分基因的密码子偏好主要由突变引起，但自然选择也有重要影响；PR2 绘图分析发现，5 种锦鸡儿属植物叶绿体基因组密码子使用偏好均受自然选择影响，突变压力影响较小345。
最优密码子筛选：研究人员根据 RSCU 值和 ΔRSCU 值筛选出了最优密码子。在 5 种锦鸡儿属植物中，共鉴定出 29 个高频密码子，其中 55.2% 以 U 结尾，41.4% 以 A 结尾。进一步筛选出高度表达的最优密码子，不同物种的最优密码子数量在 9 - 12 个之间，且均偏好以 A 或 U 结尾的密码子67。
系统发育分析：基于 RSCU 值的聚类分析和基于叶绿体基因组 CDS 序列及完整序列构建的系统发育树表明，树锦鸡儿和新疆锦鸡儿聚类在一起，西藏锦鸡儿、鬼箭锦鸡儿和甘蒙锦鸡儿形成另一分支。这揭示了不同锦鸡儿物种间的进化关系，为锦鸡儿属植物的分类和进化研究提供了重要依据8。