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一种重要的入侵植物假臭草的叶绿体全基因组研究 前言 叶绿体是植物细胞中一种重要的进行光合作用的细胞器。大多数已测序的叶绿体基因组长度在120-160kb之间，GC含量在30%-40%之间，大多数的叶绿体基因组有着由四部分组成的结构，包括一个大的单拷贝区域LSC（80-90kb），小单拷贝区域SSC（16-27kb）以及一对长约20-28kb的反向重复区域IR。被子植物的叶绿体基因组的基因含量以及结构都是高度保守的，此前的研究中在大量的被子植物中报道了反向重复区域的扩张和收缩，以及基因和内含子的丢失。叶绿体基因组高度保守的特性以及其很低的进化速率显示其由于过于一致不适合用于进行不同物种之间的比较研究，但是有足够的分化来捕捉进化上发生的事件，使得它成为一种不可多得的适合分子亲缘地理以及分子生态研究的工具。 近期叶绿体全基因组的相关研究层出不穷，至今已有329个叶绿体全基因组序列储存于GenBank。大部分的被子植物叶绿体全基因组均是十分保守的。然而，在菊科物种中，其LSC区域的基因顺序与烟草相比是相反的。菊科是植物界第二大科，由2400个分布于170个属的物种组成。其中，在GenBank中发现了7个物种的叶绿体全基因组，包括小油菊、向日葵、银胶菊、莴苣、新疆千里光、冷蒿和紫茎泽兰。尽管菊科物种中有大量的入侵物种，例如紫茎泽兰、新疆千里光、银胶菊、飞机草和蟛蜞菊，目前仅有3个入侵物种的叶绿体全基因组被鉴定出来。 假臭草属于菊科泽兰族。是一种生长于南美洲的多年生草本植物，组织破碎之后有难闻气味。假臭草主要通过种子传播，每株植物能产生几百粒细小的黑色种子。有人报道过其对于农作物、人工牧场以及花园造成的严重破坏。目前的一些研究包括其形态特征、抗逆性、化学成分研究以及化感作用研究。然而，对其遗传多样性和种群进化少有研究。在此，我们报道了假臭草叶绿体全基因组序列的研究，获得的结果将会为其种群研究和外来入侵物种遗传进化机制的确定提供有效工具。 结果和讨论 假臭草叶绿体基因组特征 假臭草的叶绿体基因组长151410bp其GC含量为37.22%，这与菊科其它物种的叶绿体基因组特征相一致。与其它的被子植物相似，假臭草的叶绿体基因组为典型的分成四份的环状结构，一对IR（23776bp，占42.9%），一个LSC（18547bp，占35.4%）和一个SSC（85311bp，占30.9%）。LSC和SSC由IR分开。为了验证组装的结果，四个部分的连接区域通过PCR扩增和Sanger测序进行了验证。在注释之后，该基因组序列被提交至GenBank。 顺时针转录和逆时针转录的信息被分别绘制于环状结构的内侧和外侧。分属于不同分组的基因以不同的颜色绘出。基因坐标和GC含量被显示于内环，粗线代表了反向重复区，这就将基因组划分为SSC和LSC两个部分。该地图使用OGDRAW绘制。 基因组内容和组织方式 假臭草的叶绿体基因组含有119个蛋白质编码基因，包括了37个tRNA基因，4个rRNA基因以及85个蛋白质编码基因。此外，有18个在IR中存在拷贝，因而总共在假臭草的基因组之中存在137个基因。在18个存在拷贝的基因之中，有7个基因被预测为蛋白质编码基因，位于IR中，分别为ycf15, rps7, ndhB, rpl23, ycf2, rps19和rpl2。剩余的基因为7个tRNA基因和4个rRNA基因，均在IR之中存在完整的拷贝。在其它的菊科物种的基因组中存在着相同的结果，包括银胶菊、紫茎泽兰，但是在飞机草之中并没有发现这一现象。在这137个注释的基因之中，有11个基因有内含子，包括有着单个内含子的4个蛋白质编码基因和3个tRNA编码基因，以及有着两个内含子的4个蛋白质编码基因。这11个有内含子的基因中，有7个位于LSC，一个横跨了IR和LSC，序列分析显示48.66%，2.81%和5.6%的基因组序列分别编码了蛋白质、tRNA以及rRNA。52.7%的基因组序列为非编码区域，由内含子、基因间隔区以及假基因所构成。此外，该基因组中有87个蛋白质编码基因使用了73569bp的核苷酸，由24523个密码子构成。基于叶绿体基因组蛋白质编码基因的序列以及tRNA基因，亮氨酸和异亮氨酸分别是使用最多和是一on个最少的氨基酸。rps12基因是一个反式剪接基因，其5末端的外显子位于LSC，而其3末端的两个拷贝位于IR。在菊科其他物种的叶绿体基因组之中也发现了这一现象。ycf3有着最大的内含子，这与紫茎泽兰存在差异。 与菊科其他物种叶绿体基因组的比较 为了从基因组水平上来分析这种入侵物种，使用VISTA软件将8个菊科物种的叶绿体基因组序列进行了绘制，以假臭草的叶绿体基因组序列为参考。假臭草的叶绿体基因组长度在向日葵和小油菊之间，是至今报道的菊科物种的叶绿体基因组序列中长度排第四的。