絞股藍屬(Gynostemma BL.)隸屬于葫蘆科(Cucurbitaceae),屬下包含2亞屬16種2變種,中國有2亞屬14種2變種,主要分布于東亞及東南亞地區(qū),在我國的主要分布范圍為長江流域及其以南。因其具有極大的藥用價值,近年來受到許多國內(nèi)外科學家們的重視。然而,野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),絞股藍屬植物自然居群生長的地理環(huán)境復(fù)雜,該屬物種在分化過程中形成了一系列的生態(tài)變異類型,而且多個物種間形態(tài)特征交叉、過渡現(xiàn)象嚴重,為基于形態(tài)學的絞股藍屬植物的分類和系統(tǒng)發(fā)育帶來挑戰(zhàn)。目前,人們對絞股藍屬植物的研究主要集中在化學成分及藥理藥性研究、形態(tài)學與細胞學研究、基于少數(shù)分子標記的系統(tǒng)進化研究等方面,而對該屬植物的葉綠體基因組尚未報道,因此,構(gòu)建絞股藍屬物種的完整葉綠體基因組圖譜是很有必要的。本研究利用絞股藍屬植物的葉綠體全基因組(Complete Chloroplast Genome)和核基因組分型GBS(Genotyping-by-Sequencing)的數(shù)據(jù),并結(jié)合形態(tài)學的量化數(shù)據(jù)共同研究絞股藍屬物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和群體遺傳特征,揭示中國亞熱帶地區(qū)絞股藍自然居群的進化和群體動態(tài)歷史。本研究的主要結(jié)論如下:(1)通過對絞股藍葉綠體DNA進行Illumina高通量測序獲得了完整的絞股藍葉綠體基因組序列和圖譜。結(jié)果表明:雙鏈環(huán)狀的絞股藍葉綠體基因組大小為157,576 bp,總GC堿基含量為37.00%。共預(yù)測到139個功能基因,包括91個蛋白編碼基因,30個tRNA基因和8個rRNA基因。該研究首次獲得絞股藍屬植物的完整葉綠體基因組序列,為絞股藍屬以及葫蘆科的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究提供了很好的參考。(2)在對8個絞股藍屬物種完整葉綠體基因組的比較研究中發(fā)現(xiàn):絞股藍屬植物葉綠體具有經(jīng)典的四部分結(jié)構(gòu),即一個大單拷貝區(qū)LSC(平均長度86,834 bp),一個小單拷貝區(qū)SSC(平均長度18,649 bp)以及兩個相互間隔且反向互補的反向重復(fù)區(qū)IRa和IRb(平均長度26,174 bp);每個葉綠體基因組均編碼133個基因,其中包括87個蛋白編碼基因,8個rRNA基因,37個tRNA基因和1個假基因infA�；蚪M在結(jié)構(gòu)、基因組成和順序上都很保守。通過對葉綠體基因組中3種長重復(fù)序列和SSR的搜索,結(jié)果發(fā)現(xiàn)絞股藍屬葉綠體基因組序列中含有大量的重復(fù)序列,且大多數(shù)重復(fù)序列分布于基因間隔區(qū)和內(nèi)含子上。另外,綜合序列變異和mVISTA的研究表明,葉綠體基因組的蛋白編碼區(qū)CDS比非編碼區(qū)CNS保守,反向重復(fù)區(qū)IR比單拷貝區(qū)SC保守。屬內(nèi)物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究表明絞股藍屬可分為2個亞屬,其結(jié)果與形態(tài)學分類一致。(3)對10個葫蘆科代表屬的物種的完整葉綠體基因組進行比較分析,結(jié)果表明葫蘆科植物的葉綠體基因組相對保守,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且均未發(fā)生基因重排事件。選擇壓力分析表明在3個基因(accD,clpP和matK)中存在一些受選擇位點,由這3個基因編碼的蛋白質(zhì)參與植物發(fā)育和能量轉(zhuǎn)化、葉綠體蛋白合成以及基因轉(zhuǎn)錄,可能在葫蘆科植物應(yīng)對陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。葫蘆科的葉綠體基因組屬于GC缺失類型,而且在第三個密碼子位置上有較強的A/T偏好。本研究揭示了psbL基因中的一個非常規(guī)起始密碼子,即原本的起始密碼子ACG變成了AUG,這是由于RNA編輯引起的,它可以修飾突變,調(diào)節(jié)葉綠體基因的表達,是植物葉綠體中的一種校正機制。系統(tǒng)發(fā)育樹(ML和BI)表明錐形果屬Gomphogyne,雪膽屬Hemsleya和絞股藍屬Gynostemma構(gòu)成葫蘆科中最早分化的譜系。因此,我們的研究結(jié)果表明,葉綠體基因組數(shù)據(jù)可以有效地解決葫蘆科內(nèi)不同屬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。此外,該研究可為今后的系統(tǒng)發(fā)育研究提供潛在的分子標記和DNA條形碼,并為豐富葫蘆科葉綠體基因組資源做出巨大貢獻。(4)本研究利用量化的形態(tài)學數(shù)據(jù)和分子基因組層面的完整葉綠體基因組和GBS(Genotyping-by-Sequencing)基因分型的分析對絞股藍屬植物13種2變種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進行了深入探討,結(jié)果證實絞股藍屬下包含2個亞屬,即絞股藍亞屬和喙果藤亞屬。翅莖絞股藍、廣西絞股藍和扁果絞股藍應(yīng)從絞股藍亞屬內(nèi)移出,歸入喙果藤亞屬。而毛絞股藍、毛果絞股藍、緬甸絞股藍和大果絞股藍應(yīng)合并為“毛絞股藍”,并且可與長梗絞股藍、光葉絞股藍和絞股藍進行歸并,作為一個廣義的“絞股藍”物種對待。Beast分化時間的計算發(fā)現(xiàn)絞股藍屬的分化始于早第三紀晚期(23.02 Ma),屬內(nèi)亞屬的分化時間在中新世時期(12.75 Ma),而屬內(nèi)物種的分化主要集中在第三紀上新世末期與第四紀更新世初期(3Ma)。末次間冰期(0.13 Ma)時,絞股藍屬植物主要分布在東亞東南部地區(qū),當末次冰期(0.02 Ma)來臨,絞股藍亞屬的分布范圍逐漸西移至內(nèi)陸,到達橫斷山區(qū)和秦嶺大巴山區(qū),而喙果藤亞屬的分布范圍在本地收縮,形成各自避難所;冰期過后的擴散過程中可能存在雜交和遺傳漂變,從而形成現(xiàn)今物種的系統(tǒng)關(guān)系和分布格局。另外,本研究中基于SNP數(shù)據(jù)對絞股藍屬植物進行遺傳結(jié)構(gòu)的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)絞股藍屬植物可劃分為東西部兩個分區(qū),我們推測,在絞股藍屬各物種的形成和擴散過程中,受到了強烈的地理環(huán)境和氣候條件的影響。(5)最后,本研究首次從基因組水平探討了絞股藍不同地理居群的種群遺傳多樣性水平和遺傳結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,絞股藍的居群遺傳多樣性低(He=0.175,Ho=0.183),居群間分化程度較高(F_(ST)=0.984),且遺傳變異主要存在于居群間。30個居群可以分為南北兩個分組,而在青藏高原東南邊緣、云貴高原和秦嶺-巴山地區(qū)的居群在進化歷史上存在一定的基因交流�？傊�,本研究通過絞股藍屬植物葉綠體基因組的構(gòu)建,對該屬內(nèi)物種和其近緣屬(葫蘆科代表屬)部分物種的葉綠體基因組進行了比較分析,并結(jié)合核基因組分型和量化的形態(tài)學數(shù)據(jù)深入討論了絞股藍屬植物的系統(tǒng)分類與進化關(guān)系。另外,還利用簡化基因組數(shù)據(jù)分析探討了該屬植物的群體遺傳進化和動態(tài)歷史,加深人們對絞股藍屬分子遺傳背景的了解,并為東亞地區(qū)植物的保護提供有效信息。
【學位單位】：西北大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S567.237;Q943
【部分圖文】：

Read1 Read2 Allount（#） 977165 977165 1954330ount（bp） 293149500 293149500 58629900 Length（bp） 300 300 300unt（bp） 218862782 171126968 38998975tio（%） 74.66 58.38 67.516358unt（bp） 253912610 216727964 47064057tio（%） 86.62 73.93 80.776309unt（bp） 285585187 273485514 55907070tio（%） 97.42 93.29 95.399691t（bp） 58108 102245 160353（%） 0.02 0.03 0.000274體基因組組裝注釋裝獲得一條長度為 157,576 bp 的序列，總 CG 含量為 37.00%（圖

西北大學博士畢業(yè)論文裝結(jié)果比對到 NT 數(shù)據(jù)庫中，發(fā)現(xiàn)該序列與甜瓜（C. melo subsp. melo）完因組較為相似，其次為黃瓜（Cucumis sativus）和棒果木（Corynos）（圖 2.2），以上 3 個物種均為葫蘆科植物。，我們以甜瓜為參考基因組（JF412791），與獲得的絞股藍基因組作比較下圖 2.3。圖中的點基本在一條直線上，每一條線代表一條 scaffold，紅色藍色為反向比對。結(jié)果表明樣本中所有基因組序列均能較好的比對到參考絞股藍葉綠體基因組與甜瓜葉綠體基因組極為相似。

23（C. melo）葉綠體基因組為參考的絞股藍葉綠體基因組比對equence identity plot comparing the G. pentaphyllum chloroplastC. melo as a reference by using mummerplot.

【參考文獻】

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本文編號：2824576