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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。
研究结论与讨论
综合研究结果,5 种锦鸡儿属植物叶绿体基因组密码子使用偏好具有较高相似性,自然选择对密码子偏好的影响大于突变。这种偏好可能与叶绿体的生物学功能以及植物的生态适应性有关。偏好以 A 或 U 结尾的密码子可能有助于提高翻译效率和准确性,增强植物在恶劣环境下的生存能力。
此外,研究鉴定出的最优密码子为锦鸡儿属植物的种质改良提供了有价值的信息。通过合理利用这些最优密码子,可以优化基因表达,提高植物的生长性能和抗逆性。同时,系统发育分析结果也为深入了解锦鸡儿属植物的进化历史和遗传多样性提供了重要线索。
总体而言,该研究不仅加深了人们对锦鸡儿属植物叶绿体基因组密码子使用偏好的理解,还为进一步研究其分子进化机制和种质创新奠定了坚实基础。未来,研究人员可以在此基础上,开展更多相关研究,挖掘锦鸡儿属植物的潜在价值,为生态保护和农业发展做出更大贡献。
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