Cistanche-arter mitogenomer antyder mangfold og kompleksitet i Lamiales-ordens mitogenomer

Abstrakt

Det ekstreme mangfoldet og kompleksiteten til angiospermer er velkjent. Til tross for at parasittiske planter er angiospermer, er lite kjent om parasittiske planters mitogenomiske mangfold, kompleksitet og evolusjon. I denne studien oppnådde og karakteriserte vi mitogenomene til tre Cistanche-arter (holoparasitiske planter) fra Kina for å sammenligne repetisjonene, segmentduplisering og multi-kopi proteinkodende gener (PCG), for å klargjøre det fylogenetiske og evolusjonsforholdet innenfor Lamiales-ordenen , og for å identifisere mitokondrielle plastidinnsettinger (MTPT) iCistanche mitogenomer. Resultatene viste at mitogenomstørrelsene til de tre Cistanche-artene varierte fra 1 708 661 til 3 978 341 bp. DeCistanche artergenomet koder for 75–126 gener, inkludert 37–65 PCG-er, 31–58 tRNA-gener og 3–5 rRNA-gener. Sammenlignet med andre Lamiales og parasittiske arter, erCistanche arterviste ekstremt høye forekomster av PCG-er med flere kopier, fra 0.13 til 0.58 prosent av det totale antallet PCG-er. I tillegg ble det funnet 37–133 Simple Sequence Repeat (SSR) i disse tre mitogenomene, hvorav de fleste var mononukleotidene Adenin/Thymin. De ispede repetisjonene inneholdt fremadrettede og palindromiske repetisjoner. Videre varierte segmentdupliseringssekvensstørrelsen fra 199 584 til 2 142 551 bp, og utgjorde 24,9 prosent, 11,7 prosent og 53,9 prosent av Cistanche deserticola,Cistanche salsaogCistanche tubulosamitogenom, henholdsvis. Videre antydet Ka/Ks-analysen at atp4, ccmB, ccmFc og matR sannsynligvis ble positivt selektert under Lamiales-evolusjonen. DeCistancheplastom antydet tilstedeværelsen av MTPT. Dessuten, 6–12 tRNA, 9–15 PCGs-fragmenter og 3 rRNA-genfragmenter iCistanche mitogenomerble funnet i MTPT-regionene. Dette arbeidet rapporterer Cistanche-artens mitogenom for første gang, noe som vil være uvurderlig for å studere mitogenomutviklingen tilOrobanchaceae-familien.

Klikk her for å vite Cistanche Tubulosa-funksjonen

Nøkkelord:Cistanche, mitogenom, MTPT, repetisjon, segmentduplisering, multi-kopier PCG, substitusjonsrate

SPØR OM FLERE DETALJER;

wallence.suen@wecistanche.com

1. Introduksjon

DeCistanche arterer en gruppe ikke-fotosyntetiske parasittiske planter.Cistancheer en gammeldags slekt med omtrent to dusin arter. De har blitt delt inn i fire godt støttede og geografisk differensierte klader: East Asian Clade, Northwest African Clade, Southwest Asian Clade og Widespread Clade [1]. Cistanche-slekten tilhører familien Orobancheaceae. Orobanchaceae-familien inneholder rundt 2000 arter (mest parasittiske planter) i 90–115 slekter, og den tilhører Lamiales-ordenen [2]. Avhengig av en verts behov for å fullføre livssyklusen, er Orobancheaceae-planter typisk klassifisert som obligatoriske og fakultative parasitter. I tillegg, avhengig av deres fotosynteseevne, er Orobancheaceae-planter delt inn i en gruppe med fotosyntetisk aktivitet (hemiparasitter) og en gruppe uten fotosyntetisk aktivitet (holoparasitter) [3]. Orobanchaceae-familien er et utmerket modellsystem for å studere utviklingen av parasittisme i planter [4].

Tidligere studier viste at genomstørrelsen, genomstrukturen og geninnholdet tilOrobanchaceae(parasittiske planter) plastomer varierer dramatisk sammenlignet med andre angiospermplanter [5,6]. Videre alvorlig gentap og pseudogenisering innenOrobanchaceaearter plastomer ble funnet [7]. Til dags dato har 46 fullførtOrobanchaceaeplastidgenomer er deponert i GenBank, mens bare ettOrobanchaceaemitogenom er avsatt. Det komplette mitogenomet til enOrobanchaceae arter, Castilleja paramensis, har den laveste gentapsraten (7,69 prosent) blant de syv Orobanchaceae-artene. Det lave nivået av gentap i mitogenomene antyder at de parasittiske plantene fortsatt har en typisk mitokondriell funksjon [8].

Det første komplette mitogenomet fra parasittiske misteltoer viste også betydelig nedbrytning [9]. I tillegg var de parasittiske mitogenomene som tidligere rapporter ble publisert om svært divergerende i mange aspekter, inkludert genomstørrelse, genomstruktur, gentap osv. For eksempel var Viscum scurruloideum mitogenom 66 kb i størrelse, med en sirkulær og en lineær kromosom [9]. Gastrodia elata mitogenomet var 20 ganger større enn det til V. scurruloideum, og det inneholdt 12 sirkulære og 7 lineære kromosomer [10]. Det er imidlertid ukjent om denne observasjonen gjelder generelt for andre parasittiske planter når det gjelder genomstrukturer.

Mitokondrier er organeller som deltar i en rekke metabolske aktiviteter knyttet til energigenerering, syntese og ødeleggelse [11]. Den mest kjente funksjonen til mitokondrier er oksidativ fosforylering, som bruker protongradienten til å produsere ATP for metabolsk aktivitet [12]. Generelt representerer mitogenomet mitokondriell genetisk informasjon. Sammenlignet med dyr og sopp, viser plantemitogenomer mange unike egenskaper. Størrelsen på mitogenomene i angiospermer varierer fra 200 kb til 11 Mb, og varierer sterkt mellom arter [9,13]. De fleste angiosperm-mitogenomer inneholder 24 til 41 PCG-er og 2 eller 3 rRNA-gener [14,15,16,17]. Mitogenomekspansjonen er i stor grad drevet av DNA-duplikasjoner og innsetting av fremmed DNA, slik som kjernefysisk DNA, plastid-avledet DNA (referert til som mitokondrielle plastidinnsettinger, MTPTs), og til og med horisontale genoverføringer (HGTs) [15,18,19 ].

I tillegg er de synonyme substitusjonshastighetene typisk ganske lave i plantemitogenomer og er like blant PCG-er. En overraskende mengde synonym hastighetsvariasjon ble også sett i enkelte planters mitokondrielle PCG-er [20]. Variasjonen til de ovennevnte mitokondrielle sekvensene og PCG-ene har vekket forskernes interesse for mitogenomet. Til dags dato har 8592 komplette plastomer blitt deponert i GenBank, mens bare 457 komplette plantemitogenomer er deponert. Derfor er det nødvendig å studere plantemitogenomer.

MestCistanche arterbrukes tradisjonelt som medisinske urter. Spesielt,C. deserticolaer kjent som ørkenginseng for sine nærende effekter [21]. Flere studier rapporterte de kjemiske komponentene ogfarmakologiske effekteravCistanche arter[22,23,24]. Tidligere rapporterte vi funksjonene til fire Cistanche-plastomer i Kina, og vi fant at Cistanche-plastomene var signifikant forskjellige fra andre angiospermer [25]. Derimot er studiet av mitogenomene til Cistanche-arter fortsatt i sin spede begynnelse.

Tabell 1

I dette arbeidet har vi for første gang sekvensert, satt sammen og karakterisert tre fullstendige Cistanche-artsmitogenomer for å: (1) avhjelpe mangelen på kunnskap om Cistanche-mitogenomer; (2) utforske kompleksiteten og mangfoldet til Cistanche-mitogenomer når det gjelder genomstørrelse, multi-kopier PCG, repetisjon, segmentduplisering, fylogenetisk forhold og substitusjonshastighet; og (3) analysere MTPT i Cistanche-mitogenomene. Resultatene fra denne studien vil gi uvurderlig informasjon for Cistanche-mitogenom evolusjon.

Det er kjent at mitokondrielle PCG-er er variable i genetisk struktur. De funksjonelle genene ble delt inn i tre klasser: ikke-intronholdig, trans-spleiset og cis-spleiset gen. De fleste PCG-er som tilhører de samme funksjonelle kategoriene, delte lignende genetiske strukturer. Vi fant at fire, syv og åtte PCG-er var trans-spleisede gener i C. deserticola (ccmFc, cox1, nad4 og nad7), C. salsa (atp1, ccmFc, cob, nad7, rpl2, rps3 og rps10) og C. tubulosa (ccmFc, cox1, nad4, nad5, nad7, rpl10, rps3 og rps12), henholdsvis (tabell 2). I tillegg fant vi at tre, fire og to PCG-er var cis-spleisede gener i C. deserticola (nad1, nad2 og nad5), C. salsa (nad1, nad2, nad4 og nad5) og C. tubulosa (nad1 og nad2) henholdsvis (tabell 2). Spesielt var plastid-PCG-ene (rpl16 og rps14) sannsynligvis to pseudogener (tabell 2).

2.2. Sammenligning av multi-kopier proteinkodende gener (PCG) i de tre cistanche-artene og åtte andre lamiales og seks parasittiske arter mitogenomer

Vi sammenlignet mitogenomstørrelsen, GC-innholdet og PCG-kopi av Cistanche-artene og andre Lamiales-arter med publiserte mitogeomer. De publiserte Lamiales-artene inkluderte Boea hygrometrica, Mimulus guttatus, Ajuga reptans, Salvia miltiorrhiza, Hesperelaea palmeri, Castilleja paramensis, Utricularia reniformis og Rotheca serrate (tabell S2). GC-innholdet deres varierte fra 43,27 prosent til 45,5 prosent, som var ganske like (tabell 1 og tabell S2). Imidlertid var størrelsene på disse mitogenomene ekstremt varierende (figur 1, tabell 1 og tabell S2). C. tubulosa mitogenomet (3 978 341 bp) var det største; dens størrelse var 11,3 ganger større enn det minste mitogenomet (A. reptans, 352,069 bp) (tabell 1 og tabell S2). Cistanche-mitogenomene var de største blant alle mitogenomene som ble funnet i Lamiales-ordenen. For å bestemme om det var noen korrelasjoner mellom PCG-kopinummer og mitogenomstørrelse, ble PCG-kopinummer fra de 11 mitogenomene sammenlignet. Dupliseringen av PCG-er ble observert i alle Lamiales-mitogenomene. Graden av duplisering var spesielt høy i Cistanche-slekten (Figur 1). De mitokondrielle PCG-ene ble delt inn i to kategorier, kjernegener og variable gener, ifølge en tidligere studie [9]. Blant Cistanche-mitogenomene varierte andelen dupliserte kjernegener fra 13 prosent til 58 prosent, i følgende rekkefølge: C. tubulosa (58 prosent), C. salsa (25 prosent) og C. deserticola (13 prosent) (Figur 1) og tabell S4). Andelen dupliserte variable gener varierte fra 0–35 prosent, i følgende rekkefølge: C. tubulosa (35 prosent), C. deserticola (6 prosent) og C. salsa (0 prosent) (figur 1 og tabell) S4). Blant andre Lamiales-arter var duplisering av kjernegener bare til stede i H. palmeri- og U. reniformis-mitogenomene (figur 1). Videre var duplisering av variable gener til stede i E. guttata, H. palmeri og U. reniformis mitogenomene (figur 1).

Figur 1

Genomstørrelse og proteinkodende geninnhold blant 11 Lamiales-arter mitogenomer.

Vi sammenlignet også størrelsen, GC-innholdet og antall PCG-kopier av mitogenomene fra Cistanche-arten og flere parasittiske planter, inkludert C. paramensis, Cynomorium coccineum, Epirxanthes elongate, Lophophytum mirabile, Viscum album og V. scurruloideum (tabell S5). GC-innholdet deres varierte fra 43,52 prosent til 47,4 prosent, som var ganske like (tabell 1 og tabell S5). Imidlertid varierte størrelsene på disse mitogenomene sterkt (Figur S4, Tabell 1 og Tabell S5). Det minste mitogenomet var fra V. scurruloideum (65 873 bp). Cistanche-mitogenomene forble den største blant de parasittiske plantene (Figur S4, Tabell 1 og Tabell S5). Det er verdt å merke seg at mitogenomstørrelsen til C. coccineum, en holoparasitisk plante, også var over 1 Mb (tabell S5).

I tillegg til C. paramesis, V. scurruloideum og V. album, var dupliseringen av PCG også til stede i mitogenomene til de parasittiske plantene (figur S4 og tabell S6). Blant Cistanche-mitogenomene varierte andelen dupliserte kjernegener fra 13 prosent til 0.63 prosent , i følgende rekkefølge: C. tubulosa (63 prosent), C. salsa (25 prosent) og C. deserticola ( 13 prosent ) (Figur S4 og Tabell S6). Videre varierte andelen dupliserte variable gener fra {{10}}–35 prosent, i følgende rekkefølge: C. tubulosa (35 prosent), C. deserticola (6 prosent) og C. deserticola (0) ) (Figur S4 og Tabell S6). Totalt sett hadde C. tubulosa og C. coccineum de høyeste andelene av dupliserte kjernegener og variable gener (Figur S4 og Tabell S6).

2.3. Identifikasjon av MTPT-er

For å identifisere MTPT-ene i Cistanche-mitogenomene, sammenlignet vi Cistanche-mitogenomsekvensene med plastomsekvensene deres. For C. deserticola ble det funnet 158 ​​høyscorende segmentpar (HSP). Disse 158 fragmentene var totalt 35 165 bp lange, og utgjorde 1,89 prosent av mitogenomlengden (figur S5). Fragmentlengden varierte fra 33 til 1156 bp. De kommenterte resultatene viste at de alle var plastidgener, inkludert 11 komplette tRNA-gener: trnV-GAC (2), trnN-GUU, trnM-CAU, trnW-CCA (2), trnS-GGA (2), trnS-GCU ( 2) og trnS-GGA. Videre ble ni fragmenter annotert som partielle plastid-PCGer: rpl2 (170 bp), ycf2 (276, 387, 216, 61, 36, 61 bp), rps14 (199 bp) og rps4 (193 bp). De gjenværende fragmentene ble identifisert som plastidribosom-RNA (rrn 5, 16S og 23) (tabell S7).

For C. salsa ble 128 HSPer identifisert. Disse 128 fragmentene var totalt 28 963 bp lange, og sto for 1,64 prosent av mitogenomlengden (Figur S6). Fragmentlengden varierte fra 33 til 1155 bp. De kommenterte resultatene viste at de alle var plastidgener, inkludert 12 komplette tRNA-gener: trnS-GGA (5), trnN-GUU (2), trnD-GUC (2), trnW-CCA, trnM-CAU og trnV-GAC. Videre ble ni fragmenter annotert som partielle plastid-PCGer: rps4 (193 bp), rps14 (199,193 bp) og ycf2 (216, 170, 61, 387, 276, 396 bp). De gjenværende fragmentene ble identifisert som plastidribosom-RNA (rrn 5, 16S og 23) (tabell S8).

For C. tubulosa ble det funnet 139 HSP. Disse 139 fragmentene var totalt 26 911 bp lange, og sto for 0.68 prosent av mitogenomlengden (figur S7). Fragmentlengden varierte fra 35 til 1156 bp. De kommenterte resultatene viste at de alle var plastidgener, inkludert seks komplette tRNA-gener: trnD-GUC (2), trnN-GUU, trnD-GUC, trnN-GUU og trnR-ACG. Videre ble 15 fragmenter annotert som partielle plastid-PCGer: ycf2 (128, 81, 110, 81, 257, 110, 110, 128, 77 bp), ycf1 (580, 580 bp), accD (243, 431 bp,) og rpl2 (138 bp). De gjenværende fragmentene ble identifisert som plastidribosom-RNA (rrn 5, 16S og 23) (tabell S9).

Det ekstreme mangfoldet og kompleksiteten til angiospermer er velkjent. Til tross for at parasittiske planter er angiospermer, er lite kjent om parasittiske planters mitogenomiske mangfold, kompleksitet og evolusjon. I denne studien oppnådde og karakteriserte vi mitogenomene til tre Cistanche-arter (holoparasitiske planter) fra Kina for å sammenligne repetisjonene, segmentduplisering og multi-kopi proteinkodende gener (PCG), for å klargjøre det fylogenetiske og evolusjonsforholdet innenfor Lamiales-ordenen , og for å identifisere mitokondrielle plastidinnsettinger (MTPT) i Cistanche-mitogenomer. Resultatene viste at mitogenomstørrelsene til de tre Cistanche-artene varierte fra 1,708,661 til 3,978,341 bp. Cistanche-artsgenomet koder for 75–126 gener, inkludert 37–65 PCG-er, 31–58 tRNA-gener og 3–5 rRNA-gener. Sammenlignet med andre Lamiales og parasittiske arter, viste Cistanche-artene ekstremt høye forekomster av PCG-er med flere kopier, fra 0,13 til 0,58 prosent av det totale antallet PCG-er. I tillegg ble det funnet 37–133 Simple Sequence Repeat (SSR) i disse tre mitogenomene, hvorav de fleste var mononukleotidene Adenin/Thymin. De ispede repetisjonene inneholdt fremadrettede og palindromiske repetisjoner. Videre varierte segmentdupliseringssekvensstørrelsen fra 199 584 til 2 142 551 bp, og utgjorde henholdsvis 24,9 prosent, 11,7 prosent og 53,9 prosent av Cistanche deserticola, Cistanche salsa og Cistanche tubulosa mitogenom. Videre antydet Ka/Ks-analysen at atp4, ccmB, ccmFc og matR sannsynligvis ble positivt selektert under Lamiales-evolusjonen. Cistanche-plastomet antydet tilstedeværelsen av MTPT. Dessuten ble 6–12 tRNA, 9–15 PCGs-fragmenter og 3 rRNA-genfragmenter i Cistanche-mitogenomene funnet i MTPT-regionene. Dette arbeidet rapporterer Cistanche-arten mitogenom for første gang, noe som vil være uvurderlig for å studere mitogenomutviklingen til Orobanchaceae-familien.