Omfattende gentab i plastomen af holoparasitisk plante Cistanche Tubulosa (Orobanchaceae)
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com
Wanqi Xuam, Haimei Chenam, Lixia Tiana, Mei Jianga, Qiaoqiao Yanga, Liqiang Wanga, Bashir Ahmadb og LinFang Huanga aKey
ABSTRAKT
Omfattende fotosyntetisk gentab og hurtig evolutionær hastighed forekommer i plastomerne af parasitære planter. Den holoparasitiske planteCistanche tubulosaaf Orobanchaceae er en vigtig medicinsk ressource, der er udbredt i tørre områder. I denne undersøgelse er det komplette plastom af C. tubulosa blevet sekventeret, samlet og analyseret. Det totale plastom af C. tubulosa var 75.375 bp i længden, bestående af et par omvendte gentagelser (IR'er, 6.593 bp), et stort enkeltkopiområde (LSC, 32.470 bp) og et lille enkeltkopiområde (SSC, 29.719 bp). Den indeholdt 24 intakte proteinkodende gener, ni pseudogener og 44 manglende gener. Derudover blev alle de proteinkodende gener, som var relateret til fotosyntese og energiproduktion, pseudogeniseret eller tabt. Fire rRNA-gener og 24 tRNA-gener var intakte, mens fem tRNA-gener manglede. Det fylogenetiske træ indikerede, at C. tubulosa var nært beslægtet med C. phelypaea. Vores resultater kan forbedre forståelsen af plastomorganisationen, klassificeringen og udviklingen af parasitære planter.
Orobanchaceae er en speciel familie, der omfatter planter på alle niveauer af vækstadfærd bestående af ikke-parasitære, hemiparasitære og holoparasitiske planter (Xi et al. 2013).Cistanche tubulosa, en holoparasitisk plante af Orobanchaceae, absorberer vand og organisk og uorganisk næring fra rødderne af sine værter. Cistanche tubulosa bruges traditionelt som nærende urter. Mange forbindelser er blevet isoleret fra C. tubulosa, herunder phenylethanoidglycosider, kulhydrater, lignaner, iridoider, echinacoside, verbascoside, chlorogensyre, acteosid og luteolyse (Yong og Peng-Fei 2009; Fu et al. Gao et al. 2018; . 2019). Disse isolerede forbindelser har udvist rigelige farmakologiske virkninger, såsom neurobeskyttende, immunmodulerende, anti-ældende, anti-inflammatoriske, anti-osteoporose, hepatobeskyttelse, antioxidative, anti-bakterielle, anti-tumor og glucosetolerance-forbedrende effekter ( Morikawa et al. 2019). Sammenlignet med de mere end 3000 plastomer af autotrofe organismer, der kan fås fra National Center for Biotechnology Information database, er data fra plastomerne fra parasitære planter begrænsede. For at skildre karakteristikken af gentab og give ny indsigt i den overordnede evolutionære proces, analyserede vi plastomet af C. tubulosa.
Friske skælblade af C. tubulosa blev indsamlet fra Hotan-præfekturet (Xinjiang Uygur Autonomous Region), Kina (78○1203600E, 36○1901200N). Kuponprøverne blev deponeret i herbariet hos Institute of Medicinal Plant Development, Chinese Academy of Medical Sciences, Peking Union Medical College (IMD), med tiltrædelsesnumre på XJ20170502. Ca. 500 ng DNA blev brugt til at konstruere et bibliotek med en insertstørrelse på 400 bp og sekventeret i overensstemmelse med producentens instruktioner for HiSeq 4000-platformen. De rene, parrede ende-aflæsninger blev filtreret mod alle plastomerne af planter registreret i GenBank-databasen ved at bruge BLASTn med en e-værdi cutoff på 1e - 5. De ekstraherede læsninger blev samlet ved hjælp af SPAdes (v. 3.10.1) (Bankevich et. al. 2012). Grænseregionen blev valideret ved hjælp af primerpar, der spænder over grænseregionen efterfulgt af PCR-amplifikation af regionerne og Sanger-sekventering af PCR-produktionen. Gener blev kommenteret ved at bruge CpGAVAS2-webtjenesten (Shi et al. 2019) og redigeret manuelt ved at bruge Apollo genom-editor (Lewis et al. 2002). Cirkelkortet af plastom blev genereret ved hjælp af OrganellarGenomeDRAW (Lohse et al. 2013), og GC-indhold blev analyseret ved hjælp af CGView Server (Grant og Stothard 2008). I sammenligning med den ikke-parasitære plante af Orobanchaceae Rehmannia glutinosa (NC_034308) blev gener, der lignede kendte proteinkodende gener, men afkortet eller indeholdt en eller flere rammeskiftmutationer, klassificeret som pseudogener (Cusimano og Wicke 2016; Xi et al. al. 2013). Genomsamlingen og annoteringsresultaterne blev deponeret i GenBank med adgangsnumrene MN614130.
Plastomet af C. tubulosa var 75.375 bp i længden og viste en typisk firdelt struktur, herunder et par IR'er (6593 bp) adskilt af LSC (32.470 bp) og SSC (29.719 bp) region. Det samlede GC-indhold var 34,95 procent, og SSC-regionen havde et højere GC-indhold (38,00 procent) end IR- (33,22 procent) og LSC-regionen (32,86 procent). Plastomet af C. tubulosa bibeholdt 27 intakte proteinkodende gener, ni gener blev pseudogener, og 44 gener manglede fuldstændigt. Alle gener relateret til koder for fotosyntetiske proteiner blev pseudogeniseret eller tabt, hvilket understøtter den holoparasitiske livsstil hos C. tubulosa. Alle fire rRNA'er var universelt lokaliseret i SSC-regionen. I alt 24 tRNA'er var tilbage, og op til fem tRNA'er gik tabt gennem hele evolutionen.
For at analysere den fylogenetiske position af C. tubulosa inden for Orobanchaceae-familien blev et molekylært evolutionært træ konstrueret ved hjælp af 36 arter. Tolv delte proteinsekvenser blev sammenkædet og justeret ved hjælp af ClustalW-programmet (Thompson et al. 2002). Det fylogenetiske træ blev konstrueret ved hjælp af softwaren Randomized Accelerated Maximum Likelihood (RAxML) (Stamatakis 2014) og ML-metoden med Arabidopsis thaliana og Nicotiana tabacum som udgrupper. Det fylogenetiske træ viste, at C. tubulosa og C. phelypaea var grupperet sammen (figur 1).
cistanche te
Referencer
Bankevich A, Nurk S, Antipov D, Gurevich AA, Dvorkin M, Kulikov AS, Lesin VM, Nikolenko SI, Pham S, Prjibelski AD, et al. 2012. SPAdes: en ny genomsamlingsalgoritme og dens anvendelser til enkeltcelle-sekventering. J Comput Biol. 19(5):455-477.
Cusimano N, Wicke S. 2016. Massiv intracellulær genoverførsel under plastidgenomreduktion i ikke-grønne Orobanchaceae. Ny Phytol. 210(2):680-693.
Fu Z, Fan X, Wang X, Gao X. 2018.Cistanches Herba: en oversigt over dets kemi, farmakologi og farmakokinetiske egenskaber. J Ethnopharmacol. 219:233-247.
Gao Y, Guo LN, Ma SC, Liu J, Zheng J, Zan K. 2019. Sammenlignende undersøgelser af tre Cistanche-arter baseret på UPLC-specifikt kromatogram og bestemmelse af hovedkomponenter. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi. 44(17):3749-3757.
Grant JR, Stothard P. 2008. CGView Server: et komparativt genomikværktøj til cirkulære genomer. Nucleic Acids Res. 36(webserver): 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: en sekvensannoteringseditor. Genom Biol. 3(12): RESEARCH0082.
Lohse M, Drechsel O, Kahlau S, Bock R. 2013. OrganellarGenomeDRAW-en suite af værktøjer til generering af fysiske kort over plastid- og mitokondrielle genomer og visualisering af ekspressionsdatasæt. Nucleic Acids Res. 41 (webserverproblem): W575–W581.
Morikawa T, Xie H, Pan Y, Ninomiya K, Yuan D, Jia X, Yoshikawa M, Nakamura S, Matsuda H, Muraoka O. 2019. En gennemgang af biologisk aktive naturlige produkter fra en ørkenplanteCistanche tubulosa. Chem Pharm Bull. 67(7):675-689.
Shi L, Chen H, Jiang M, Wang L, Wu X, Huang L, Liu C. 2019. CPGAVAS2, en integreret plastomsekvensannotator og analysator. Nucleic Acids Res. 47(W1): W65–W73.
Stamatakis A. 2014. RAxML version 8: et værktøj til fylogenetisk analyse og efteranalyse af store fylogenier. Bioinformatik. 30(9): 1312-1313.
Thompson JD, Gibson TJ, Higgins DG. 2002. Multipel sekvensjustering ved hjælp af ClustalW og ClustalX. Curr Protoc Bioinformatik. Kapitel 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. Komplet kloroplastgenomsekvens af holoparasitCistanche deserticola(Orobanchaceae) afslører gentab og horisontal genoverførsel fra dens vært Haloxylon ammodendron (Chenopodiaceae). PLoS One. 8(3):e58747
Yong J, Peng-Fei T. 2009. Analyse af kemiske bestanddele i Cistanche-arter. J Chromatogr A. 1216(11):1970-1979.
