海草是生活在熱帶和亞熱帶地區(qū)的海洋開花植物，所有海草物種都是從陸地單子葉植物進化而來的，是研究植物對海洋環(huán)境適應的重要材料。本研究對三個鰻草屬海草的葉綠體基因組（cpGenomes）進行測序，分析、比較三者基因組結(jié)構(gòu)和序列變異。使用已發(fā)表的海草（Zostera marina）葉綠體進行了系統(tǒng)發(fā)育分析，分析了17個海草物種和9個陸生單子葉植物的選擇壓力，估計8種海草的共有基因數(shù)。鰻草科物種的cpGenomes大小范圍從143,877b到152,726bp，它們具有保守性，基因結(jié)構(gòu)、序列具有相似性。此外，篩選到17個可變熱點區(qū)域作為鰻草科物種的候選DNA條形碼，有助于研究海草物種之間的系統(tǒng)發(fā)育關系和種間差異。本研究結(jié)果對進一步研究鰻草科植物基因組具有重要價值，并將作為未來研究海草適應海洋環(huán)境的重要資源。生物進化的總體趨勢是由水生到陸生，但在進化過程中會發(fā)生一些獨特的進化事件，如海草的二次入水。海草起源于陸地，但可以完全生活在海水中。受海洋和陸地環(huán)境的長期選擇和作用，海草是研究復雜多樣的適應機制和進化過程的重要材料，從分子或基因組水平揭示海草的進化適應機制已成為進化生物學領域的研究熱點Illumina測序獲得三種海草（Z. nigricaulis, Phyllospadix iwatensis, Z. japonica）的葉綠體基因組（cpGenomes）、比較基因組分析、系統(tǒng)發(fā)育分析、適應性進化分析1. 鰻草科植物的cpGenome特征
鰻草科物種的cpGenomes大小范圍從143,877b到152,726bp，由四部分組成（2個反向重復序列（IR）、1個短單拷貝序列（SSC）及1個長單拷貝序列（ LSC）），cpGenome序列GC含量為35.46 ~ 36.18%。cpGenome的兩個IRs、LSC和SSC之間有4個邊界，通過比較基因組發(fā)現(xiàn)cpGenome的四個邊界相對保守。利用mVISTA軟件對鰻草科物種的cpGenome進行同源性分析，發(fā)現(xiàn)基因組保守，具有相似的結(jié)構(gòu)和基因順序，非編碼區(qū)差異程度高于編碼區(qū)。LSC和SSC區(qū)域比IR區(qū)域有更大的差異。圖2 四種鰻魚科植物葉綠體基因組中LSC、SSC和IR區(qū)邊界位置的比較
圖4 四種鰻草科植物cpGenomes同源區(qū)可變性狀百分比構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，發(fā)現(xiàn)葉綠體編碼基因（PCGs）可以分為3大支，CGs的系統(tǒng)發(fā)育接近程度與傳統(tǒng)分類群密切相關。分析了17個海草物種和9個陸生單子葉植物的選擇壓力，Branch模型分析表明，海草葉綠體蛋白編碼基因的進化速度比陸生單子葉類群快。采用M8模型和SLAC、FEL、MEME等方法對8種海草物種的59個單拷貝共有基因進行了選擇密碼子檢測，找到9個基因具有陽性選擇位點，包括兩個ATP亞基基因（atpA和atpF），兩個核糖體亞基基因（rps4和rpl20），兩個DNA依賴性RNA聚合酶基因（rpoC1和rpoC2），以及accD、clpP、和ycf2。這些基因區(qū)域可能在海草適應不同環(huán)境的過程中發(fā)揮了關鍵作用。Branch模型分析表明，海草的進化速度高于陸生單子葉植物，表明海草承受了更大的環(huán)境壓力。表2 單子葉中共享蛋白編碼基因的選擇壓力測試結(jié)果
本研究利用illumina測序技術得到三種海草葉綠體基因組，通過比較基因組、進化分析探索海草適應海洋環(huán)境的進化機制。本次研究結(jié)果對進一步研究鰻草科植物基因組具有重要價值，是研究海草適應海洋環(huán)境的重要資源。閱讀原文
Comparative Chloroplast Genomes of Zosteraceae Species Provide Adaptive Evolution Insights Into Seagrass
