Opsežan gubitak gena u plastomu holoparazitske biljke Cistanche Tubulosa (Orobanchaceae)
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com
Wanqi Xuam, Haimei Chenam, Lixia Tiana, Mei Jianga, Qiaoqiao Yanga, Liqiang Wanga, Bashir Ahmadb i LinFang Huanga aKey
SAŽETAK
Veliki gubitak fotosintetskih gena i brza brzina evolucije javljaju se u plastomesima parazitskih biljaka. Holoparazitska biljkaCistanche tubulosaOrobanchaceae je važan medicinski resurs koji je rasprostranjen u sušnim područjima. U ovoj studiji, kompletan plastom C. tubulosa je sekvencioniran, sastavljen i analiziran. Ukupni plastom C. tubulosa bio je dug 75.375 bp, koji se sastojao od para obrnutih ponavljanja (IRs, 6.593 bp), velike regije s jednom kopijom (LSC, 32.470 bp) i male regije s jednom kopijom (SSC, 29,719 bp). Sadržao je 24 intaktna gena za kodiranje proteina, devet pseudogena i 44 gena koja nedostaju. Osim toga, svi geni koji kodiraju proteine, a koji su bili povezani s fotosintezom i proizvodnjom energije, bili su pseudogenizirani ili izgubljeni. Četiri rRNA gena i 24 tRNA gena su netaknuta, dok je nedostajalo pet gena tRNA. Filogenetsko stablo je pokazalo da je C. tubulosa usko srodna sa C. phelypaea. Naši rezultati mogu poboljšati razumijevanje organizacije plastoma, klasifikacije i evolucije parazitskih biljaka.
Orobanchaceae je posebna porodica koja obuhvata sve biljke koje se ponašaju na nivou rasta koje se sastoje od neparazitskih, hemiparazitskih i holoparazitskih biljaka (Xi et al. 2013).Cistanche tubulosa, holoparazitska biljka Orobanchaceae, upija vodu i organsku i neorgansku ishranu iz korijena svojih domaćina. Cistanche tubulosa se tradicionalno koristi kao hranjivo bilje. Iz C. tubulosa je izolovano mnogo jedinjenja, uključujući feniletanoidne glikozide, ugljene hidrate, lignane, iridoide, ehinakozid, verbaskozid, hlorogensku kiselinu, akteozid i luteolizu (Yong i Peng-Fei 2009; Fu et al. 2018; 2019.). Ova izolovana jedinjenja su pokazala obilne farmakološke efekte, kao što su neuroprotektivni, imunomodulatorni, anti-senescencijski, protuupalni, anti-osteoporozni, hepatoprotektivni, antioksidativni, antibakterijski, antitumorski i efekti poboljšanja tolerancije glukoze ( Morikawa i dr. 2019.). U poređenju sa više od 3000 plastoma autotrofnih organizama koji se mogu dobiti iz baze podataka Nacionalnog centra za biotehnološku informaciju, podaci iz plastoma parazitskih biljaka su ograničeni. Da bismo prikazali karakteristike gubitka gena i pružili novi uvid u cjelokupni evolucijski proces, analizirali smo plastome C. tubulosa.
Svježi listovi C. tubulosa sakupljeni su iz prefekture Hotan (Autonomna regija Xinjiang Uygur), Kina (78○1203600E, 36○1901200N). Uzorci vaučera deponovani su u herbarijum Instituta za razvoj lekovitog bilja, Kineske akademije medicinskih nauka, Peking Union Medical College (IMD), sa pristupnim brojevima XJ20170502. Otprilike 500 ng DNK je korišteno za konstruiranje biblioteke s veličinom umetanja od 400 bp i sekvencionirano prema uputama proizvođača za HiSeq 4000 platformu. Čista očitavanja uparenih krajeva filtrirana su na sve plastome biljaka zabilježenih u bazi podataka GenBank korištenjem BLASTn sa graničnom vrijednošću e-vrijednosti od 1e — 5. Izvučena očitanja su sastavljena pomoću SPAdes-a (v. 3.10.1) (Bankevich et. al. 2012). Granični region je validiran korišćenjem parova prajmera koji obuhvataju granični region, nakon čega je usledila PCR amplifikacija regiona i Sanger sekvenciranje PCR proizvodnje. Geni su označeni korištenjem web servisa CpGAVAS2 (Shi et al. 2019) i uređivani ručno pomoću uređivača genoma Apollo (Lewis et al. 2002). Mapa kruga plastoma generisana je korišćenjem OrganellarGenomeDRAW (Lohse et al. 2013), a GC sadržaj je analiziran pomoću CGView servera (Grant i Stothard 2008). U poređenju sa neparazitskom biljkom Orobanchaceae Rehmannia glutinosa (NC_034308), geni koji su bili slični poznatim genima koji kodiraju proteine, ali su skraćeni ili sadrže jednu ili više mutacija pomaka okvira, klasifikovani su kao pseudogeni (Cusimano i Wicke 2016; Xi et. al 2013). Sklop genoma i rezultati napomena deponovani su u GenBank, sa pristupnim brojevima MN614130.
Plastom C. tubulosa bio je dugačak 75.375 bp i pokazivao je tipičnu kvadripartitnu strukturu, uključujući par IR (6593 bp) razdvojenih LSC (32.470 bp) i SSC (29.719 bp) regiona. Ukupni GC sadržaj je bio 34,95 posto i SSC regija je imala veći GC sadržaj (38.00 posto) od IR (33,22 posto) i LSC (32.86 posto) regiona. Plastom C. tubulosa zadržao je 27 netaknutih gena koji kodiraju proteine, devet gena je postalo pseudogen, a 44 gena su potpuno nedostajala. Svi geni koji se odnose na kodiranje fotosintetskih proteina su pseudogenizirani ili izgubljeni, što podržava holoparazitski način života C. tubulosa. Sve četiri rRNA su univerzalno lokalizirane u SSC regiji. Ukupno su ostale 24 tRNK, a do pet tRNA je izgubljeno tokom evolucije.
Da bi se analizirao filogenetski položaj C. tubulosa unutar porodice Orobanchaceae, konstruirano je molekularno evolucijsko stablo koristeći 36 vrsta. Dvanaest zajedničkih proteinskih sekvenci je spojeno i poravnato korišćenjem ClustalW programa (Thompson et al. 2002). Filogenetsko stablo je konstruirano korištenjem softvera Randomized Accelerated Maximum Likelihood (RAxML) (Stamatakis 2014) i ML metode, sa Arabidopsis thaliana i Nicotiana tabacum kao izlaznim grupama. Filogenetsko stablo je pokazalo da su C. tubulosa i C. phelypaea grupisane zajedno (Slika 1).
cistanche tea
Reference
Bankevich A, Nurk S, Antipov D, Gurevich AA, Dvorkin M, Kulikov AS, Lesin VM, Nikolenko SI, Pham S, Prjibelski AD, et al. 2012. SPAdes: novi algoritam za sklapanje genoma i njegove primjene na jednoćelijsko sekvenciranje. J Comput Biol. 19(5):455–477.
Cusimano N, Wicke S. 2016. Masivni intracelularni prijenos gena tokom redukcije genoma plastida u nezelenim Orobanchaceae. New Phytol. 210(2):680–693.
Fu Z, Fan X, Wang X, Gao X. 2018.Cistanches Herba: pregled njegovih kemijskih, farmakoloških i farmakokinetičkih svojstava. J Ethnopharmacol. 219:233–247.
Gao Y, Guo LN, Ma SC, Liu J, Zheng J, Zan K. 2019. Komparativne studije tri vrste Cistanche na osnovu UPLC specifičnog hromatograma i određivanja glavnih komponenti. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi. 44(17):3749–3757.
Grant JR, Stothard P. 2008. CGView Server: komparativni genomički alat za kružne genome. Nukleinske kiseline Res. 36 (Web server): W181–W184.
Lewis SE, Searle SMJ, Harris N, Gibson M, Iyer V, Richter J, Wiel C, Bayraktaroglu L, Birney E, Crosby MA, et al. 2002. Apollo: uređivač napomena sekvence. Genome Biol. 3(12): ISTRAŽIVANJE0082.
Lohse M, Drechsel O, Kahlau S, Bock R. 2013. OrganellarGenomeDRAW – paket alata za generiranje fizičkih mapa genoma plastida i mitohondrija i vizualizaciju skupova podataka ekspresije. Nukleinske kiseline Res. 41 (problem sa web serverom): W575–W581.
Morikawa T, Xie H, Pan Y, Ninomiya K, Yuan D, Jia X, Yoshikawa M, Nakamura S, Matsuda H, Muraoka O. 2019. Pregled biološki aktivnih prirodnih proizvoda iz pustinjebiljkaCistanche tubulosa. Chem Pharm Bull. 67(7):675–689.
Shi L, Chen H, Jiang M, Wang L, Wu X, Huang L, Liu C. 2019. CPGAVAS2, integrirani anotator i analizator sekvence plastoma. Nukleinske kiseline Res. 47(W1): W65–W73.
Stamatakis A. 2014. RAxML verzija 8: alat za filogenetičku analizu i post-analizu velikih filogenija. Bioinformatika. 30(9): 1312–1313.
Thompson JD, Gibson TJ, Higgins DG. 2002. Višestruko poravnanje sekvenci koristeći ClustalW i ClustalX. Curr Protoc Bioinformatics. Poglavlje 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. Kompletna sekvenca genoma hloroplasta holoparazitaCistanche deserticola(Orobanchaceae) otkriva gubitak gena i horizontalni prijenos gena sa svog domaćina Haloxylon ammodendrona (Chenopodiaceae). PLoS One. 8(3):e58747
Yong J, Peng-Fei T. 2009. Analiza hemijskih sastojaka u vrstama Cistanche. J Chromatogr A. 1216(11):1970–1979.