抗列当食用向日葵杂交种经葵1408叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

图1 JK1408叶绿体基因组物理图谱

Fig.1 Physical map of the chloroplast genome in JK1408

2.2 叶绿体基因组注释

JK1408叶绿体基因组共注释出129个基因，其中编码蛋白质基因85个，编码rRNA基因8个，编码tRNA基因36个。蛋白质编码基因中，复制相关基因29个，光合作用相关基因46个，其他功能基因6个，未知功能基因4个。LSC区共有81个基因，其中编码蛋白基因60个，编码tRNA基因21个。SSC区共有12个基因，其中编码蛋白基因11个，编码tRNA基因1个。反向重复区IRa区与IRb区各有17个基因，其中编码tRNA基因7个，编码蛋白质基因6个，编码rRNA基因4个。注释结果还表明，在JK1408叶绿体基因组中蛋白质编码基因rps19位于IRb与LSC的边界，蛋白质编码基因ycf1位于IRb与LSC的边界。注释结果中还有一个5′端位于LSC区，3′端位于2个IR区的分裂基因rps12（图1，表1）。

表1 JK1408叶绿体基因组基因分类

Table 1 Gene classification of the chloroplast genome in JK1408

功能 Function	家族 Family name	基因代码 Code	基因 Gene
复制基因 Duplicate gene	核糖体小亚基	rps	rps11，rps12，rps12，rps14，rps15，rps16，rps18，rps19，rps2，rps3，rps4，rps7，rps7，rps8
	rRNA	rrn	rrn16，rrn23，rrn4.5，rrn5，rrn5，rrn4.5，rrn23，rrn16
	核糖体大亚基	rpl	rpl14，rpl16，rpl2，rpl2，rpl20，rpl22，rpl23，rpl23，rpl32，rpl33，rpl36
	脱氧核糖核酸依赖性RNA聚合酶	rpo	rpoA，rpoB，rpoC1，rpoC2
	tRNA	trn	trnM-CAU，trnL-CAA，trnV-GAC，trnI-GAU，trnA-UGC，trnR-ACG，trnN-GUU，trnL-UAG，trnN-GUU，trnR-ACG，trnA-UGC，trnI-GAU， trnV-GAC，trnL-CAA，trnM-CAU，trnP-UGG，trnW-CCA，trnM-CAU，trnV-UAC，trnF-GAA，trnL-UAA，trnT-UGU，trnS-GCU，trnfM-CAU，trnG-GCC，trnS-UGA，trnT-GGU，trnG-UCC，trnR-UCU，trnE-UUC，trnY-GUA，trnD-GUC，trnC-GCA，trnS-GCU，trnQ-UUG，trnH-GUG
光合作用基因 Photosynthesis gene	ATP合酶亚基	atp	atpA，atpB，atpE，atpF，atpH，atpI
光合作用基因 Photosynthesis gene	NADH-脱氢酶亚基	ndh	ndhA，ndhB，ndhB，ndhC，ndhD，ndhE，ndhF，ndhG，ndhH，ndhI，ndhJ，ndhK
	细胞色素b/f复合物的亚基	pet	petA，petB，petD，petG，petL，petN
	光系统I的亚基	psa	psaA，psaB，psaC，psaI，psaJ，ycf3
	光系统II的亚基	psb	psbH，psbA，psbB，psbC，psbD，psbE，psbF，psbL，psbI，psbJ，psbK，psbM，psbN，psbT，psbZ
	二磷酸核酮糖氧合酶/羧化酶亚基	rbc	rbcL
其他基因Other gene	乙酰辅酶A-羧化酶亚基	acc	accD
	包膜蛋白基因	cem	cemA
	c型细胞色素合成基因	ccs	ccsA
	蛋白酶基因	clp	clpP
	成熟酶基因	mat	matK
	平移起始因子	Inf	infA
未知基因Unknown gene	假定叶绿体阅读框	ycf	ycf1，ycf2，ycf2，ycf4

2.3 密码子偏好性分析

在JK1408叶绿体全基因组中，共获得129条CDS，为减小误差选取序列长度大于300 bp的CDS，共计50条用于分析密码子偏好性获取相关参数。50条CDS的GC₁、GC₂、GC₃和GC_all平均GC含量分别为47.06%（32.82%~59.39%）、39.29%（27.43%~55.47%）、28.36%（18.63%~36.91%）和38.24%（29.7%~45.74%）（表2），平均GC含量GC₁>GC₂>GC₃，表明密码子第1、2和3位的碱基种类含量存在差异，第3位碱基的GC值较小，JK1408叶绿体基因密码子偏向于以A或U（T）作为第3位碱基。以有效密码子数（ENC）=45为标准衡量基因密码子使用偏好性程度，取值范围在20~61，20表示每个氨基酸只有1个有效密码子数，61表示所有的密码子都均衡使用。50条CDS的ENC值大于45的有37个基因（占比74%），小于45的有13个（占比26%）。ENC值最大的是ycf3基因，为59.17，最小的是rpl22基因，为39.13。ENC平均值为47.62，表明JK1408叶绿体基因密码子使用偏好性较弱^[9]。分析发现，JK1408叶绿体基因组密码子适应指数（CAI）平均值为0.1719，更为接近0，与ENC值共同表明密码子使用偏好性较弱。JK1408叶绿体基因组最优密码子使用频率（FOP）平均值为0.3537，表明最优密码子的使用程度并不高。

表2 JK1408叶绿体基因组密码子不同位置的GC含量及ENC值

Table 2 GC contents and ENC values of codons at different locations in the chloroplast genome of JK1408

基因 Gene	GC₁ (%)	GC₂ (%)	GC₃ (%)	GC_all (%)	有效密码子数 ENC	基因 Gene	GC₁ (%)	GC₂ (%)	GC₃ (%)	GC_all (%)	有效密码子数 ENC
ycf4	44.32	40.54	30.27	38.38	51.04	psaA	52.86	43.68	32.76	43.10	49.59
ycf3	47.34	38.46	32.54	39.45	59.17	petD	51.55	39.13	27.33	39.34	39.25
ycf2	41.89	34.24	36.91	37.68	52.81	petB	49.07	41.67	27.31	39.35	43.52
ycf1	34.94	27.43	26.61	29.70	46.14	petA	52.65	37.38	30.84	40.29	50.97
rps8	41.48	40.74	28.15	36.79	48.57	ndhK	43.81	44.25	26.55	38.20	51.26
rps7	53.21	46.15	23.72	41.03	46.00	ndhJ	50.94	37.11	30.82	39.62	43.40
rps4	53.47	39.60	28.71	40.59	52.21	ndhI	41.92	35.93	25.75	34.53	43.82
rps3	46.12	33.33	23.74	34.40	43.16	ndhH	50.25	36.04	28.17	38.16	49.79
rps2	43.46	43.04	27.43	37.97	46.26	ndhG	45.76	33.90	28.25	35.97	52.00
rps18	34.31	42.16	25.49	33.99	44.76	ndhF	36.96	35.89	24.60	32.48	45.30
rps14	44.55	47.52	33.66	41.91	39.24	ndhE	42.16	34.31	18.63	31.70	43.98
rps11	54.74	55.47	27.01	45.74	50.38	ndhC	45.45	33.06	24.79	34.44	48.97
rpoC2	46.52	37.49	30.45	38.15	50.87	ndhB	41.29	38.55	32.09	37.31	48.60
rpoC1	50.29	36.52	26.23	37.68	48.88	ndhA	45.05	39.84	18.96	34.71	41.16
rpoB	50.52	37.32	27.80	38.55	48.50	matK	38.52	34.33	27.94	33.60	46.82
rpoA	44.35	32.14	29.76	35.42	51.62	clpP	59.39	38.07	30.46	42.64	50.07
rpl22	39.35	40.00	23.87	34.41	39.13	cemA	39.13	28.26	30.87	32.75	49.80
rpl20	37.80	45.67	27.56	37.01	46.96	ccsA	32.82	37.15	24.77	31.58	49.45
rpl2	50.18	47.27	33.45	43.64	56.40	atpI	50.40	37.90	28.23	38.84	46.54
rpl14	56.10	37.40	26.83	40.11	45.15	atpF	46.49	32.43	32.97	37.30	51.82
rbcL	57.00	43.00	30.86	43.62	47.42	atpE	52.96	41.04	25.37	39.80	51.30
psbD	52.26	43.22	32.49	42.66	44.10	atpB	55.71	41.68	29.06	42.15	48.21
psbC	53.38	46.20	29.54	43.04	43.82	atpA	56.19	39.49	25.15	40.27	46.83
psbB	53.83	45.97	30.45	43.42	47.88	accD	42.20	35.76	30.35	36.11	50.67
psbA	50.00	43.50	33.05	42.18	41.16	平均Average	47.06	39.29	28.36	38.24	47.62
psaB	48.03	43.40	29.25	40.23	46.17

对JK1408叶绿体基因组筛选出的50条CDS的GC含量和ENC值进行相关性分析（表3），GC₁与GC₂、GC₁与GC_all、GC₂与GC_all、GC₃与GC_all、GC₃与ENC相关性为极显著水平，密码子第1、2位碱基的成分相似，而第3位碱基组成与前2位碱基具有一定差异，这导致GC₃与GC₁、GC₂二者含量之间的相关性均不显著；ENC与GC₁、GC₂之间无显著相关性，但与GC₃含量具有极显著相关性，说明第3位碱基含量变化会对JK1408叶绿体基因组密码子偏好性产生重要影响。

表3 JK1408叶绿体基因组密码子数各位置GC含量与ENC值的相关性分析

Table 3 Correlation analysis between GC content and ENC value of codon number in chloroplast genome of JK1408

指标 Index	GC₁	GC₂	GC₃	GC_all	有效密码子数 ENC
GC₂	0.389^**
GC₃	0.210	0.111
GC_all	0.838^**	0.737^**	0.498^**
有效密码子数ENC	0.084	-0.114	0.391^**	0.121
密码子数N	-0.141	-0.277^*	0.280	-0.123	0.157

“^*”代表显著相关（P < 0.05）；“^**”代表极显著相关（P < 0.01）。

“^*”indicates significant correlation (P < 0.05);“^**”indicates extremely significant correlation (P < 0.01).

通过对氨基酸密码子的相对同义密码子（RSCU）值分析（表4）可知，50条CDS共有20 244个密码子，亮氨酸（Leu）数量最多，具有2154个密码子，占比10.7%；半胱氨酸（Cys）数量最少，只有217个密码子，占比1.1%。结果显示，RSCU值>1的密码子有32个，其中16个密码子的第3位碱基为U，13个密码子的第3位碱基为A，3个密码子的第3位碱基为G，表明JK1408偏好于使用A/U作为密码子的末尾碱基。

表4 JK1408叶绿体基因组各氨基酸的RSCU分析

Table 4 RSCU analysis of amino acids in the chloroplast genome of JK1408

氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	数目 Number	相对同义密码子 RSCU	氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	数目 Number	相对同义密码子 RSCU
苯丙氨酸 Phe	UUU	768	1.35	丙氨酸 Ala	GCU	509	1.77
苯丙氨酸 Phe	UUC	368	0.65	丙氨酸 Ala	GCC	182	0.63
亮氨酸 Leu	UUA	690	1.92		GCA	335	1.16
亮氨酸 Leu	UUG	458	1.28		GCG	127	0.44
	CUU	458	1.28	酪氨酸 Tyr	UAU	628	1.63
	CUC	128	0.36	酪氨酸 Tyr	UAC	142	0.37
	CUA	289	0.81	组氨酸 His	CAU	357	1.5
	CUG	131	0.36	组氨酸 His	CAC	119	0.5
异亮氨酸 Ile	AUU	836	1.46	谷氨酰胺 Gln	CAA	570	1.53
异亮氨酸 Ile	AUC	340	0.6	谷氨酰胺 Gln	CAG	176	0.47
	AUA	536	0.94	天冬酰胺 Asn	AAU	790	1.57
甲硫氨酸 Met	AUG	473	1	天冬酰胺 Asn	AAC	214	0.43
缬氨酸 Val	GUU	395	1.46	赖氨酸 Lys	AAA	788	1.49
缬氨酸 Val	GUC	133	0.49	赖氨酸 Lys	AAG	267	0.51
	GUA	410	1.51	天冬氨酸 Asp	GAU	663	1.58
	GUG	146	0.54	天冬氨酸 Asp	GAC	176	0.42
丝氨酸 Ser	UCU	441	1.77	谷氨酸 Glu	GAA	822	1.51
丝氨酸 Ser	UCC	219	0.88	谷氨酸 Glu	GAG	267	0.49
	UCA	304	1.22	半胱氨酸 Cys	UGU	157	1.45
	UCG	119	0.48	半胱氨酸 Cys	UGC	60	0.55
	AGU	326	1.31	色氨酸 Trp	UGG	367	1
	AGC	82	0.33	精氨酸 Arg	AGA	362	1.84
脯氨酸 Pro	CCU	344	1.61	精氨酸 Arg	AGG	123	0.62
脯氨酸 Pro	CCC	145	0.68		CGU	275	1.39
	CCA	234	1.09		CGC	78	0.4
	CCG	134	0.63		CGA	260	1.32
苏氨酸 Thr	ACU	407	1.64		CGG	85	0.43
苏氨酸 Thr	ACC	187	0.75	甘氨酸 Gly	GGU	470	1.35
	ACA	303	1.22	甘氨酸 Gly	GGC	159	0.46
	ACG	94	0.38		GGA	536	1.53
					GGG	232	0.66

2.4 ENC-plot分析

由JK1408叶绿体基因组密码子ENC-plot图分析（图2）可知，较多基因没有沿标准曲线分布，而是落在标准曲线下方。从JK1408叶绿体基因组ENC比值频数分布（表5）看，50个基因中，[-0.05,0.05）有22个（占比44%），这22个基因与标准曲线更近，即与预期ENC值更为接近，表明这些基因的密码子使用偏好性仅受或主要受突变压力影响，其他28个占比56%，这28个基因与标准曲线较远，即与预期ENC值较远，表明这些基因受自然选择影响较大。综上，自然选择和突变压力对密码子的使用偏好性均有不同程度的影响，但更多受自然选择影响^[1]。

图2

图2 JK1408叶绿体基因组ENC-plot分析

Fig.2 ENC-plot analysis in the chloroplast genome of JK1408

表5 JK1408叶绿体基因组ENC比值频数分布表

Table 5 Frequency distribution of ENC ratio in the chloroplast genome of JK1408

组段 Class range	组中值 Class mid value	频数 Frequency number	频率 Frequency (%)
[-0.15,-0.05)	-0.10	1	2
[-0.05,0.05)	0.00	22	44
[0.05,0.15)	0.10	20	40
[0.15,0.25)	0.20	6	12
[0.25,0.35)	0.30	1	2
合计Total	0.50	50	1

2.5 中性绘图及PR2-plot分析

JK1408叶绿体基因组的中性绘图分析（图3）表明，GC₁₂含量在18.63%~36.91%，GC₃含量在31.18%~55.11%，相关系数为0.199，回归系数为0.1475，第1、2与第3位碱基的组成成分相关性较小，突变压力对JK1408的密码子使用偏好性影响仅占14.75%，自然选择对密码子使用模式产生了重要影响^[8]。

图3

图3 JK1408叶绿体基因组中性绘图分析

Fig.3 Neutrality plot analysis in the chloroplast genome of JK1408

由PR2-plot偏倚分析（图4）可知，50条CDS在PR2偏倚图中分布不均衡，第4象限内分布较多，中心点（0.5，0.5）左侧有18个基因，右侧有32个基因；中心点（0.5，0.5）上方有16个基因，下方有34个基因，没有基因落在中心点上，表明密码子第3位碱基的使用频率存在显著差异，G>C、T>A，如JK1408叶绿体基因密码子偏好性仅受或更多地受自身碱基突变影响，那么4种碱基使用频率应该相等或相近，在PR2偏倚分析图（图4）中各基因应该富集于中心，但结果显示存在离散分布，并未完全集中，表明自然选择仍是影响JK1408叶绿体基因密码子使用偏好的重要因素。

图4

图4 JK1408叶绿体基因组PR2-plot偏倚分析

Fig.4 PR2-plot bias analysis in the chloroplast genome of JK1408

2.6 最优密码子的确定

按照50条CDS的ENC值由小到大排序，用ENC值小的高表达基因（rpl22、rps14、petD、psbA、ndhA）和ENC值大的低表达基因（ndhD、rps4、ycf2、rpl2、ycf3）建立高、低表达库（表6），计算ΔRSCU（ΔRSCU=RSCU_high-RSCU_low），结果显示，ΔRSCU≥0.08的密码子有32个。当密码子同时满足2个条件即密码子高表达（ΔRSCU≥0.08）和密码子高频出现（RSCU≥1）时，该密码子即为最优密码子^[10]。经过计算，JK1408的叶绿体基因密码子偏爱A/U结尾，最优密码子为CUU、CCA、ACU、GCU、UAU、CAU、AAA、GAU和GGA。

表6 JK1408叶绿体基因组最优密码子的确定

Table 6 Determination of the optimal codon for the chloroplast genome of JK1408

氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	高表达基因 High expression gene		低表达基因 Low expression gene		相对使用度差值 ΔRSCU	氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	高表达基因 High expression gene		低表达基因 Low expression gene		相对使用度差值 ΔRSCU
氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	数目 Number	相对同义密码子 RSCU	数目 Number	相对同义密码子 RSCU	相对使用度差值 ΔRSCU	氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	数目 Number	相对同义密码子 RSCU	数目 Number	相对同义密码子 RSCU	相对使用度差值 ΔRSCU
苯丙氨酸 Phe	UUU	91	1.33	36	1.57	-0.24	丙氨酸 Ala	GCU^*	46	1.61	40	1.47	0.14
苯丙氨酸 Phe	UUC^*	86	0.67	24	0.43	0.24	丙氨酸 Ala	GCC^***	22	0.90	7	0.28	0.62
亮氨酸 Leu	UUA	67	1.74	51	2.33	-0.59		GCA	31	0.90	28	1.66	-0.76
亮氨酸 Leu	UUG	77	1.24	25	1.39	-0.16		GCG	13	0.59	9	0.59	0.00
	CUU^*	82	1.31	28	1.08	0.23	酪氨酸 Tyr	UAU^*	91	1.45	28	1.34	0.11
	CUC^**	28	0.48	2	0.15	0.33	酪氨酸 Tyr	UAC	24	0.55	15	0.66	-0.11
	CUA	48	0.84	27	0.90	-0.06	组氨酸 His	CAU^**	62	1.66	11	1.17	0.49
	CUG^*	26	0.39	5	0.14	0.24	组氨酸 His	CAC	17	0.34	7	0.43	-0.09
异亮氨酸 Ile	AUU	99	1.29	55	1.77	-0.48	谷氨酰胺 Gln	CAA	75	1.28	22	1.69	-0.41
异亮氨酸 Ile	AUC^*	58	0.59	18	0.34	0.25	谷氨酰胺 Gln	CAG^**	38	0.72	4	0.31	0.41
	AUA^*	79	1.12	25	0.88	0.23	天冬酰胺 Asn	AAU	130	1.40	34	1.44	-0.04
甲硫氨酸 Met	AUG	58	1.00	30	1.00	0.00	天冬酰胺 Asn	AAC	45	0.60	16	0.56	0.04
缬氨酸 Val	GUU	36	0.98	27	1.85	-0.87	赖氨酸 Lys	AAA^*	120	1.62	34	1.39	0.23
缬氨酸 Val	GUC^***	23	0.64	4	0.14	0.50	赖氨酸 Lys	AAG^*	62	0.38	6	0.21	0.17
	GUA	30	1.38	33	1.76	-0.38	天冬氨酸 Asp	GAU^*	123	1.61	24	1.36	0.25
	GUG^***	27	0.10	4	0.25	0.74	天冬氨酸 Asp	GAC	30	0.39	6	0.64	-0.25
丝氨酸 Ser	UCU	67	1.31	27	1.24	0.08	谷氨酸 Glu	GAA	100	1.48	46	1.68	-0.19
丝氨酸 Ser	UCC	47	1.05	16	1.31	-0.26	谷氨酸 Glu	GAG^*	54	0.52	11	0.32	0.19
	UCA	57	1.41	19	1.65	-0.24	半胱氨酸 Cys	UGU	21	1.32	8	1.80	-0.48
	UCG^**	30	0.71	3	0.27	0.44	半胱氨酸 Cys	UGC^**	11	0.68	1	0.20	0.48
	AGU^*	45	1.34	20	1.20	0.14	色氨酸 Trp	UGG	47	1.00	26	1.00	0.00
	AGC	14	0.17	6	0.32	-0.16	精氨酸 Arg	CGU	32	2.17	20	2.42	-0.24
脯氨酸 Pro	CCU	36	1.18	29	1.97	-0.79	精氨酸 Arg	CGC^**	18	0.56	3	0.25	0.31
脯氨酸 Pro	CCC^*	26	0.84	9	0.57	0.27		CGA	38	1.02	12	1.15	-0.14
	CCA^*	41	1.26	15	1.07	0.19		CGG^*	17	0.41	3	0.26	0.15
	CCG^**	18	0.72	6	0.39	0.33		AGA	61	1.25	15	1.59	-0.34
苏氨酸 Thr	ACU^*	48	1.59	22	1.40	0.19		AGG^*	34	0.59	4	0.34	0.25
苏氨酸 Thr	ACC^*	22	0.77	11	0.64	0.12	甘氨酸 Gly	GGU	45	1.05	48	1.77	-0.72
	ACA	40	1.25	23	1.60	-0.35	甘氨酸 Gly	GGC	9	0.19	10	0.32	-0.13
	ACG	19	0.38	2	0.35	0.04		GGA^***	69	1.78	22	1.26	0.52
								GGG^**	40	0.97	8	0.64	0.33

“^*”：ΔRSCU≥0.08；“^**”：ΔRSCU≥0.30；“^***”：ΔRSCU≥0.50；下划线显示RSCU>1.00；加粗显示的密码子表示其为最优密码子。

The underlined indicates RSCU > 1; The bolded codon indicates the optimal codon.

3 讨论

叶绿体基因组拷贝数高、进化速率适中且全基因组序列更容易获取的特点使得其在物种鉴定、分类、系统发育分析和基因工程等方面呈现出巨大的利用价值。本研究通过高通量二代测序技术获取了JK1408的全基因组数据，组装过程确定MK341450作为最佳参考序列，MK341450是MAX1细胞质类型的向日葵栽培品种，初步判断JK1408为MAX1细胞质类型，更加清晰的证据需要后续线粒体基因组的研究补充。有关黎平瘤果茶^[11]、蒺藜苜蓿^[12]、再力花^[13]、绣球^[14]和西南牡蒿^[15]的研究支持大多数高等植物的叶绿体基因组呈现双链环状四分体结构，本研究得出的双链环状四分体结构与其结果一致。研究^[9]显示，10个一年生栽培型向日葵叶绿体基因组序列长度在151 100~151 150 bp，所有材料均注释出127个基因，而本研究组装的JK1408的叶绿体基因组大小为151 100 bp，注释出129个基因，由于油用和食用向日葵种质来源不同，系统发育定位不清晰，在组装注释过程中参考基因组的选择存在一定的局限性，注释结果因而产生偏差。

密码子偏好性问题在生物学研究中一直是热点话题，突变压力、自然选择、基因重组、基因遗传漂变以及基因水平转移等因素在物种的长期进化中均可能影响到密码子的偏好性，而突变压力和自然选择是主要因素^[16]。本研究中JK1408的ENC平均值为47.62，CAI平均值为0.1719，FOP平均值为0.3537，表明该品种密码子使用偏好性较弱，最优密码子的使用程度并不高，在裸果木^[1]、人参^[17]、菘蓝^[18]、百合属^[19]及柏科^[20]等大多数植物的叶绿体基因组密码子偏好性研究中均显示其偏好性较弱，这也揭示了植物叶绿体基因组密码子使用模式相对保守的现象。相关性分析表明第3位碱基含量变化会对JK1408叶绿体基因组密码子偏好性产生重要影响，多数研究支持这种现象，如梁山慈竹^[21]、硬尖神香草和欧神香草^[22]、栽培大麦和野生大麦^[23]、裸果木^[1]、人参^[17]及菘蓝^[18]。JK1408叶绿体基因组密码子ENC-plot图、中性绘图分析和PR2-plot偏倚分析显示自然选择和突变压力对不同基因的密码子的偏好性影响程度不同，自然选择对密码子使用模式产生了重要影响，这与王雪等^[9]的研究结果一致。本研究确定了JK1408叶绿体基因组中均以A/U结尾的最优密码子CUU、CCA、ACU、GCU、UAU、CAU、AAA、GAU和GGA，为密码子偏好性方面的应用如预测未知蛋白基因位置、提高基因工程中目的基因表达量等提供了理论支撑。

4 结论

通过高通量测序技术获取了JK1408全基因组数据，组装、注释其叶绿体基因组并绘制了物理图谱，JK1408叶绿体基因组信息的释放丰富了向日葵叶绿体基因组构建的系统进化树，有助于理清向日葵品种的系统发育关系，寻找不同品种间的叶绿体基因组高变异区域还可以进行品种的鉴定，更好地服务于向日葵育种工程。系统分析JK1408的密码子偏好性，发现JK1408的密码子使用模式受自然选择主导，确定了9个均以A/U结尾的最优密码子CUU、CCA、ACU、GCU、UAU、CAU、AAA、GAU和GGA。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

陈晓丹, 冯玉玺, 郭海洋, 等.

裸果木叶绿体基因组密码子使用偏性分析

分子植物育种, 2023, 21(23):7715-7724.

[本文引用: 5]

[2]

吴宪明, 吴松锋, 任大明, 等.

密码子偏性的分析方法及相关研究进展

遗传, 2007, 29(4):420-426.

[3]

赵耀, 刘汉梅, 顾勇, 等.

玉米waxy基因密码子偏好性分析

玉米科学, 2008, 16(2):16-21.

[4]

唐晓芬, 陈莉, 马玉韬.

密码子使用偏性量化方法研究综述

基因组学与应用生物学, 2013, 32(5):660-666.

[5]

Sharp

P M

, Matassi

Codon usage and genome volution

Current Opinion in Genetics & Development, 1994, 4(6):851-860.

[6]

Dierckxsens

, Mardulyn

, Smits

NOVOPlasty: de novo assembly of organelle genomes from whole genome data

Nucleic Acids Research, 2017, 45(4):e18.

[7]

Tillich

, Lehwark

, Pellizzer

, et al.

GeSeq-versatile and accurate annotation of organelle genomes

Nucleic Acids Research, 2017, 45(1):6-11.

[8]

李冬梅, 吕复兵, 朱根发, 等.

文心兰叶绿体基因组密码子使用的相关分析

广东农业科学, 2012, 39(10):61-65.

[本文引用: 2]

[9]

王雪, 马军, 杨学文, 等.

栽培型向日葵叶绿体基因组密码子使用偏好性分析

分子植物育种, 2024, 22(4):1096-1102.

[本文引用: 4]

[10]

原晓龙, 李云琴, 王毅, 等.

西南桦叶绿体基因组密码子偏好性分析

基因组学与应用生物学, 2020, 39(12):5758-5764.

[本文引用: 2]

[11]

颜超, 徐钦, 李志, 等.

黎平瘤果茶的叶绿体基因组特征及系统发育分析

分子植物育种,(2024-02-29)[2024-07-26]. https://link.cnki.net/urlid/46.1068.S.20240228.1659.008.

[12]

杨国锋, 苏昆龙, 赵怡然, 等.

蒺藜苜蓿叶绿体密码子偏好性分析

草业学报, 2015, 24(12):171-179.

DOI:10.11686/cyxb2015016 [本文引用: 1]

本文对蒺藜苜蓿叶绿体基因组全序列密码子进行分析,筛选出50条CDS(coding DNA sequence)利用CodonW软件进行分析其密码子使用模式。结果显示,蒺藜苜蓿叶绿体基因组密码子第3位碱基GC含量为26.9%,即第3位密码子富含A和U,ENC值在37.11~51.91之间密码子偏好性较弱。相对同义密码子使用度分析显示RSCU值大于1的密码子有23个,其中以A和U为结尾20个。中性绘图分析显示GC12与GC3的相关系数为0.341,相关性不显著,回归系数为0.4843;单基因ENC比值多分布在-0.05~0.05,即大部分基因ENC值离ENC期望值较近;对应性分析,第一轴显示了12.50%的差异为主要影响因素,第一轴与ENC和GC3的相关系数分别为0.091和-0.092,均相关不显著。综合这几项分析发现蒺藜苜蓿叶绿体基因组密码子偏好性主要受到突变的影响,但是并不是唯一的影响因素,其他因素对密码子偏好性也可能有一定的影响。最终通过高表达优越密码子方法确定得出UUA、UUG、CCU等23个密码子为最优密码子,为之后对外源基因进行改造,提高其在叶绿体中的表达效率奠定了基础。

[13]

张文达, 赵逸伦, 王湘雨, 等.

再力花叶绿体基因组特征和系统发育分析

分子植物育种,(2024-04-03)[2024-07-26]. https://link.cnki.net/urlid/46.1068.s.20240403.0936.006.

[14]

崔雨丝, 韩骐泽, 张诗文, 等.

绣球叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

分子植物育种,(2024-03-29)[2024-07-26]. https://link.cnki.net/urlid/46.1068.S.20240329.0938.007.

[15]

李志芳, 陈丽玲, 罗淑洁, 等.

西南牡蒿叶绿体基因组特征及系统发育分析

广西植物, 2024, 44(9):1732-1745.

DOI:10.11733/j.issn.1007-0435.2024.08.005 [本文引用: 2]

[16]

Hunt

R C

, Simhadri

V L

, Iandoli

, et al.

Exposing synonymous mutations

Trends Genet, 2014, 30(7):308-321.

DOI:10.1016/j.tig.2014.04.006 PMID:24954581 [本文引用: 1]

Synonymous codon changes, which do not alter protein sequence, were previously thought to have no functional consequence. Although this concept has been overturned in recent years, there is no unique mechanism by which these changes exert biological effects. A large repertoire of both experimental and bioinformatic methods has been developed to understand the effects of synonymous variants. Results from this body of work have provided global insights into how biological systems exploit the degeneracy of the genetic code to control gene expression, protein folding efficiency, and the coordinated expression of functionally related gene families. Although it is now clear that synonymous variants are important in a variety of contexts, from human disease to the safety and efficacy of therapeutic proteins, there is no clear consensus on the approaches to identify and validate these changes. Here, we review the diverse methods to understand the effects of synonymous mutations. Published by Elsevier Ltd.

[17]

马楠, 叶奕含, 邹晨鑫, 等.

人参叶绿体全基因组特征及密码子偏好性分析

分子植物育种,(2022-11-30)[2024-07-26]. https://link.cnki.net/urlid/46.1068.S.20221129.1638.028.

URL [本文引用: 2]

[18]

余志伟, 陈垣, 郭凤霞, 等.

菘蓝叶绿体基因组密码子使用偏好性分析

草地学报, 2024, 32(8):2374-2385.

为探究菘蓝(Isatis indigotica Fort.)叶绿体基因组密码子使用偏好性及其影响因素，本研究使用Codon W 1.4.2软件和在线软件CUSP对筛选到的52个蛋白质编码序列进行密码子使用模式分析。结果表明：菘蓝叶绿体基因组密码子总GC含量(Total GC content of codon,GCall)为37.59%，密码子第1位碱基GC含量(GC content of the first base of codon,GC1)＞密码子第2位碱基GC含量(GC content of the second base of codon,GC2)＞密码子第3位碱基GC含量(GC content of the third base of codon,GC3)，且均小于50%，说明密码子第3位碱基拥有较低的GC含量且密码子偏好使用A或U。有效密码子数(Effective number of codon,ENC)值为35.92~55.32，密码子适应指数(Codon adaptation index,CAI)值为0.10~0.31，密码子偏好指数(Codon bias index,CBI)值为-0.24~0.20，最优密码子使用频率(Frequency of optimal codons,FOP)值为0.24~0.54，说明密码子使用偏好性较弱；通过中性绘图分析、PR2-plot分析、ENC-plot分析和对应性分析，发现菘蓝叶绿体基因组密码子使用偏好性受选择压力和突变等因素的共同影响，主要因素为自然选择。最优密码子分析共筛选出14个最优密码子，且均以A或U结尾。以上研究可为菘蓝的系统进化、环境适应性和种质改良提供理论基础。

[19]

代国娜, 尚明越, 王嘉乐, 等.

百合属药用植物叶绿体基因组密码子偏好性及系统发育研究

中草药, 2024, 55(11):3835-3844.

[20]

黄思琦, 张麒功, 叶泽霖, 等.

5种柏科植物叶绿体基因组密码子偏好性分析

福建农林大学学报, 2024, 53(2):214-220.

[21]

魏亚楠, 龚明贵, 白娜, 等.

梁山慈竹叶绿体基因组密码子偏好性分析

浙江农林大学学报, 2024, 41(4):696-705.

[22]

张智, 张国帅, 张新可, 等.

硬尖神香草和欧神香草叶绿体基因组密码子偏好性分析

分子植物育种,(2024-04-22)[2024-07-26]. https://link.cnki.net/urlid/46.1068.S.20240420.1355.002.

[23]

谢刘义, 任璇, 应文博, 等.

栽培大麦和野生大麦叶绿体基因组密码子偏好性比较分析

云南民族大学学报, 2024, 34(3):268-276.