การสูญเสียยีนอย่างกว้างขวางในพลาสโตมของพืช Holoparasitic Cistanche Tubulosa (Orobnchaceae)
Mar 04, 2022
ติดต่อ: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 อีเมล:audrey.hu@wecistanche.com
Wanqi Xuam, Haimei Chenam, Lixia Tiana, Mei Jianga, Qiaoqiao Yanga, Liqiang Wanga, Bashir Ahmadb และ LinFang Huanga aKey
บทคัดย่อ
การสูญเสียยีนสังเคราะห์แสงอย่างกว้างขวางและอัตราการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วเกิดขึ้นในพลาสโตมของพืชกาฝาก พืชโฮโลปาราซิติกCistanche tubulosaของ Orobanchaceae เป็นแหล่งสมุนไพรที่สำคัญที่กระจายอยู่ในพื้นที่แห้งแล้ง ในการศึกษานี้ พลาสโตมที่สมบูรณ์ของ C. tubulosa ได้รับการจัดลำดับ ประกอบ และวิเคราะห์ พลาสโตมทั้งหมดของ C. tubulosa มีความยาว 75,375 bp ประกอบด้วยการทำซ้ำแบบกลับหัว (IRs, 6,593 bp), บริเวณสำเนาเดียวขนาดใหญ่ (LSC, 32,470 bp) และพื้นที่สำเนาเดียวขนาดเล็ก (SSC, 29,719 bp) ประกอบด้วยยีนเข้ารหัสโปรตีนที่ครบถ้วน 24 ยีน ยีนเทียม 9 ตัว และยีนที่หายไป 44 ยีน นอกจากนี้ ยีนเข้ารหัสโปรตีนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงและการผลิตพลังงาน ถูกจำลองหรือสูญเสียไป ยีน rRNA สี่ตัวและยีน tRNA 24 ยีนไม่เสียหายในขณะที่ยีน tRNA ห้าตัวหายไป ต้นไม้สายวิวัฒนาการระบุว่า C. tubulosa มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับ C. phelypaea ผลลัพธ์ของเราอาจช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับการจัดโครงสร้าง การแบ่งประเภท และวิวัฒนาการของพืชกาฝาก
Orobanchaceae เป็นตระกูลพิเศษที่ประกอบด้วยพืชที่มีพฤติกรรมการเจริญเติบโตทุกระดับซึ่งประกอบด้วยพืชที่ไม่ใช่ปรสิต กึ่งปรสิต และโฮโลปาราซิติก (Xi et al. 2013)Cistanche tubulosaซึ่งเป็นพืชโฮโลปาราซิติกของ Orobanchaceae ดูดซับน้ำและสารอาหารอินทรีย์และอนินทรีย์จากรากของโฮสต์ Cistanche tubulosa มักใช้เป็นสมุนไพรบำรุง สารประกอบจำนวนมากแยกได้จาก C. tubulosa รวมทั้ง phenylethanoid glycosides, คาร์โบไฮเดรต, lignans, iridoids, echinacoside, verbascoside, chlorogenic acid, acteoside และ luteolysis (Yong and Peng-Fei 2009; Fu et al. 2018; Gao et al . 2019). สารประกอบที่แยกได้เหล่านี้มีผลทางเภสัชวิทยามากมาย เช่น ฤทธิ์ป้องกันระบบประสาท ภูมิคุ้มกัน ต่อต้านการชราภาพ ต้านการอักเสบ ต้านโรคกระดูกพรุน ปกป้องตับ ต่อต้านอนุมูลอิสระ ต้านแบคทีเรีย ต้านเนื้องอก และฤทธิ์ปรับปรุงความทนทานต่อกลูโคส ( โมริกาว่า et al. 2019). เมื่อเทียบกับพลาสโตมของสิ่งมีชีวิต autotrophic มากกว่า 3000 ชนิดที่หาได้จากฐานข้อมูลของศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ ข้อมูลจากพลาสโตมของพืชกาฝากนั้นมีจำกัด เพื่อแสดงลักษณะของการสูญเสียยีนและให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกระบวนการวิวัฒนาการโดยรวม เราได้วิเคราะห์พลาสโตมของ C. tubulosa
เก็บใบเกล็ดสดของ C. tubulosa จากจังหวัด Hotan (เขตปกครองตนเองซินเจียงอุยกูร์) ประเทศจีน (78○1203600E, 36○1901200N) ตัวอย่างบัตรกำนัลถูกฝากไว้ในสมุนไพรของสถาบันพัฒนาพืชสมุนไพร สถาบันวิทยาศาสตร์การแพทย์จีน วิทยาลัยการแพทย์ปักกิ่งยูเนี่ยน (IMD) พร้อมหมายเลขภาคยานุวัติ XJ20170502 DNA ประมาณ 500 ng ถูกใช้เพื่อสร้างไลบรารีที่มีขนาดแทรก 400 bp และจัดลำดับตามคำแนะนำของผู้ผลิตสำหรับแพลตฟอร์ม HiSeq 4000 การอ่านแบบปลายคู่ที่สะอาดหมดจดถูกกรองเทียบกับพลาสโตมของพืชทั้งหมดที่บันทึกไว้ในฐานข้อมูล GenBank โดยใช้ BLASTn ที่มีค่าคัทออฟ e-value เท่ากับ 1e — 5 การอ่านที่แยกออกมานั้นประกอบขึ้นโดยใช้ SPAdes (v. 3.10.1) (Bankevich et อัล. 2012). ขอบเขตของขอบเขตได้รับการตรวจสอบโดยใช้คู่ไพรเมอร์ซึ่งขยายขอบเขตตามขอบเขตด้วยการขยาย PCR ของภูมิภาคและการจัดลำดับ Sanger ของการผลิต PCR ยีนได้รับคำอธิบายประกอบโดยใช้บริการเว็บ CpGAVAS2 (Shi et al. 2019) และแก้ไขด้วยตนเองโดยใช้โปรแกรมแก้ไขจีโนม Apollo (Lewis et al. 2002) แผนที่วงกลมของพลาสโตมถูกสร้างขึ้นโดยใช้ OrganellarGenomeDRAW (Lohse et al. 2013) และวิเคราะห์เนื้อหา GC โดยใช้ CGView Server (Grant and Stothard 2008) เมื่อเปรียบเทียบกับพืชที่ไม่ใช่ปรสิตของ Orobanchaceae Rehmannia glutinosa (NC_034308)) ยีนที่คล้ายกับยีนที่เข้ารหัสโปรตีนที่รู้จัก แต่ถูกตัดทอนหรือมีการกลายพันธุ์ของเฟรมชิฟต์ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปจัดอยู่ในประเภทเทียม (Cusimano และ Wicke 2016; Xi et อัล. 2013). ผลการประกอบจีโนมและคำอธิบายประกอบถูกฝากไว้ใน GenBank โดยมีหมายเลขภาคยานุวัติ MN614130
พลาสโตมของ C. tubulosa มีความยาว 75,375 bp และแสดงโครงสร้างควอดริพาร์ไทต์ทั่วไป ซึ่งรวมถึง IRs คู่หนึ่ง (6593 bp) ที่คั่นด้วยบริเวณ LSC (32,470 bp) และ SSC (29,719 bp) เนื้อหา GC ทั้งหมดเท่ากับ 34.95 เปอร์เซ็นต์ และภูมิภาค SSC มีเนื้อหา GC ที่สูงกว่า (38.00 เปอร์เซ็นต์ ) มากกว่าภูมิภาค IR (33.22 เปอร์เซ็นต์ ) และ LSC (32.86 เปอร์เซ็นต์ ) พลาสโตมของ C. tubulosa เก็บยีนการเข้ารหัสโปรตีนไว้ 27 ยีน เก้ายีนกลายเป็นเทียม และ 44 ยีนหายไปอย่างสมบูรณ์ ยีนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเข้ารหัสโปรตีนสังเคราะห์แสงถูกจำลองหรือสูญหายไป ซึ่งสนับสนุนวิถีชีวิตแบบโฮโลปาราซิติกของ C. tubulosa rRNA ทั้งสี่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในระดับสากลในภูมิภาค SSC ยังคงมี tRNA ทั้งหมด 24 ตัว และ tRNA มากถึงห้าตัวหายไปตลอดวิวัฒนาการ
เพื่อวิเคราะห์ตำแหน่งสายวิวัฒนาการของ C. tubulosa ภายในตระกูล Orobanchaceae ได้มีการสร้างต้นไม้วิวัฒนาการระดับโมเลกุลโดยใช้ 36 สปีชีส์ ลำดับโปรตีนที่ใช้ร่วมกันสิบสองลำดับถูกต่อกันและจัดตำแหน่งโดยใช้โปรแกรม ClustalW (Thompson et al. 2002) ต้นไม้สายวิวัฒนาการถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ Randomized Accelerated Maximum Likelihood (RAxML) (Stamatakis 2014) และวิธีการ ML โดยมี Arabidopsis thaliana และ Nicotiana tabacum เป็นกลุ่มนอก ต้นไม้สายวิวัฒนาการแสดงให้เห็นว่า C. tubulosa และ C. phelypaea ถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกัน (รูปที่ 1)
ชา cistanche
อ้างอิง
Bankevich A, Nurk S, Antipov D, Gurevich AA, Dvorkin M, Kulikov AS, Lesin VM, Nikolenko SI, Pham S, Prjibelski AD และอื่น ๆ 2012. SPAdes: อัลกอริธึมการประกอบจีโนมใหม่และการประยุกต์ใช้ในการจัดลำดับเซลล์เดียว เจ คอมพิวเตอร์ ไบโอล. 19(5):455–477.
Cusimano N, Wicke S. 2016. การถ่ายโอนยีนภายในเซลล์จำนวนมากในระหว่างการลดจีโนมของ plastid ใน Orobanchaceae ที่ไม่เป็นสีเขียว นิวไฟทอล 210(2):680–693.
Fu Z, Fan X, Wang X, Gao X. 2018.ซิสตันเชส เฮอร์บา: ภาพรวมของคุณสมบัติทางเคมี เภสัชวิทยา และเภสัชจลนศาสตร์ เจ เอธโนฟาร์มาคอล. 219:233–247.
Gao Y, Guo LN, Ma SC, Liu J, Zheng J, Zan K. 2019 การศึกษาเปรียบเทียบของ Cistanche สามชนิดตามโครมาโตแกรมจำเพาะของ UPLC และการกำหนดส่วนประกอบหลัก จงกั๋วจงเหยาซาจื่อ. 44(17):3749–3757.
Grant JR, Stothard P. 2008 เซิร์ฟเวอร์ CGView: เครื่องมือเปรียบเทียบจีโนมสำหรับจีโนมแบบวงกลม กรดนิวคลีอิก 36(เว็บเซิร์ฟเวอร์): W181–W184.
Lewis SE, Searle SMJ, Harris N, Gibson M, Iyer V, Richter J, Wiel C, Bayraktaroglu L, Birney E, Crosby MA และอื่น ๆ 2002 Apollo: ตัวแก้ไขคำอธิบายประกอบตามลำดับ จีโนม ไบโอล. 3(12): RESEARCH0082.
Lohse M, Drechsel O, Kahlau S, Bock R. 2013 OrganellarGenomeDRAW-ชุดเครื่องมือสำหรับสร้างแผนที่ทางกายภาพของจีโนมพลาสติดและยล และการแสดงชุดข้อมูลการแสดงออก กรดนิวคลีอิก 41(ปัญหาเว็บเซิร์ฟเวอร์): W575–W581
Morikawa T, Xie H, Pan Y, Ninomiya K, Yuan D, Jia X, Yoshikawa M, Nakamura S, Matsuda H, Muraoka O. 2019 การทบทวนผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติที่ใช้งานทางชีวภาพจากทะเลทรายปลูกCistanche tubulosa. เคมีฟาร์มบูล. 67(7):675–689.
Shi L, Chen H, Jiang M, Wang L, Wu X, Huang L, Liu C. 2019. CPGAVAS2 ซึ่งเป็นเครื่องบันทึกและวิเคราะห์ลำดับพลาสโตมแบบบูรณาการ กรดนิวคลีอิก 47(W1): ส65–ส73
Stamatakis A. 2014. RAxML เวอร์ชัน 8: เครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์สายวิวัฒนาการและหลังการวิเคราะห์ของสายวิวัฒนาการขนาดใหญ่ ชีวสารสนเทศศาสตร์ 30(9): 1312–1313.
ทอมป์สัน เจดี, กิ๊บสัน ทีเจ, ฮิกกินส์ ดีจี. 2002. การจัดตำแหน่งหลายลำดับโดยใช้ ClustalW และ ClustalX Curr Protoc ชีวสารสนเทศศาสตร์ บทที่ 2: 2.3.1–2.3.22.
Xi L, Ti-Cao Z, Qin Q, Zhumei R, Jiayuan Z, Takahiro Y, Masami H, Crabbe MJC, Jianqiang L, Yang Z. 2013. ลำดับจีโนมคลอโรพลาสต์ที่สมบูรณ์ของโฮโลพาราไซต์Cistanche deserticola(Orobanchaceae) เผยให้เห็นการสูญเสียยีนและการถ่ายโอนยีนในแนวนอนจากโฮสต์ Haloxylon ammodendron (Chenopodiaceae) ป.ล. หนึ่ง 8(3):e58747
Yong J, Peng-Fei T. 2009. การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีในสายพันธุ์ Cistanche. J Chromatogr A. 1216(11): 1970–1979.
