对Nepeta nuda质体基因组进行的结构和进化分析揭示了该物种特有的结构变异以及正选择的特征

时间:2026年2月9日
来源:Plant Gene

编辑推荐:

N. nuda线粒体基因组测序及比较分析揭示了其典型四分区结构,鉴定出matK、ycf1等高变区域作为物种鉴定标记,并发现适应性进化。

广告
   X   

Fatemeh Alsadat Hejazi | Aboozar Soorni
伊朗伊斯法罕技术大学农业学院生物技术系,伊斯法罕 84156-83111

摘要

Nepeta nuda L. 是唇形科(Lamiaceae)中具有药用价值的植物,含有多种生物活性化合物,并具有生态适应性,但其叶绿体(cp)基因组尚未被研究,这限制了对其系统发育和进化关系的了解。本研究旨在测序并注释 N. nuda 的完整叶绿体基因组,将其结构特征和进化特征与其他八种同属物种进行比较,并确定可用于物种鉴定的潜在分子标记。通过高通量Illumina测序技术,我们组装了一个152,195 bp的四部分叶绿体基因组,其中包含131个功能基因,包括与光合作用和自我复制相关的关键基因。比较分析显示,该基因组存在明显的密码子使用偏好(A/U偏好)、中等程度的简单序列重复(SSR)多样性(18个位点)以及高度变异的区域(如 ycf1matKrpl32-trnL-UAG),这些区域适合作为系统发育标记。在七个基因(如 matKycf1rpoC1)中检测到了正选择信号,表明这些基因经历了适应性进化。反向重复(IR)边界分析显示保守的基因串联关系,但存在谱系特异性变异;而Mauve比对结果显示,除了 N. stewartianaN. laevigata 之外,大多数 Nepeta 物种中存在20 kb的缺失片段。系统基因组重建将 N. nuda 定位在一个单系群中,与 N. hemsleyana 亲缘关系密切,并解决了某些物种分类上的异常现象(例如 N. catariaOcimum 的聚类)。结果表明,ycf1 标记在物种鉴定方面的效果优于 matK 标记,尽管全基因组分析提供了更可靠的节点支持。这些发现丰富了 Nepeta 的基因组资源,阐明了其进化关系,并确定了可用于物种鉴定的候选标记,对物种保护、分类学研究及药用价值具有重要意义。

引言

Nepeta nuda L. 属于唇形科(Lamiaceae),具体隶属于薄荷亚科(Nepetoideae)和薄荷族(Mentheae),该亚科和族包含了唇形科中最多的属和物种(Aćimović等人,2020年)。这种多年生草本植物具有多个直立的茎,高度可达50至100厘米,下部叶片呈长椭圆形至披针形,上部叶片呈卵形。其花朵排列成松散或密集的穗状花序,开花时间从6月持续到8月,具体取决于海拔高度(Aćimović等人,2022年;Aćimović等人,2020年)。Nepeta nuda 分布范围广泛,遍布欧洲和亚洲,自然生长在森林空地、草地以及道路旁的荒野地带,海拔最高可达2100米,常在周围环境中占据优势地位(Aćimović等人,2020年;As'ov,2006年;Petrova等人,2022年)。在保加利亚,它分布于海拔1900米以下的各个植物区系中,因其茎和叶表面无毛或仅有稀疏毛发而被称为“裸露的猫薄荷”(Petrova等人,2022年)。此外,Nepeta nuda 还分布于伊朗各地,其种群中含有多种nepetalactone立体异构体,这些异构体构成了其精油的主要成分(Narimani等人,2017年)。
Nepeta nuda 具有重要的药用价值,在传统民间医学中得到广泛应用。传统上,它被用于治疗胃肠道问题、呼吸系统疾病、膀胱炎、前列腺炎症、痛经以及伤口和乳腺炎。研究表明,Nepeta nuda 的提取物具有抗病毒、抗氧化、抗菌、抗寄生虫和抗癌作用(Alim等人,2009年;Angelova等人,2016年;Gormez等人,2013年;Kabalay等人,2018年;Sarikurkcu等人,2018年)。植物化学分析鉴定出两种主要的生物活性化合物:环烯醚萜类(包括nepetalactones、1,5,9-epi-deoxyloganic酸和nepetariaside)和酚类化合物(尤其是迷迭香酸和黄酮类),这些化合物共同具有抗氧化、抗菌和抗病毒作用。不同种群之间的精油成分差异显著,可区分出四种化学类型:1)以1,8-桉叶油醇为主;2)富含nepetalactone;3)混合型(germacrene D/1,8-桉叶油醇/nepetalactone);4)非特异性化学类型。环境因素对精油成分有显著影响,温度升高有利于1,8-桉叶油醇的积累,而抑制nepetalactone的产生。组织特异性代谢分析显示,花序中的防御性化合物含量高于叶片,表明资源优先分配给生殖结构(Aćimović等人,2022年;Aničić等人,2021年;Jamzad等人,2003年;Petrović等人,2024年)。
如前所述,Nepeta 属具有丰富的物种多样性,其中许多物种具有重要的药用和生态价值。准确鉴定这些物种并进行系统发育分析对于理解它们的进化关系和潜在应用至关重要。叶绿体基因组因其高度保守性、母系遗传特性和较低的突变率(Tonti-Filippini等人,2017年),成为物种鉴定和系统发育研究的强大工具。叶绿体基因组是一个环状双链DNA分子,大小通常在120至160 kb之间,具有由一个大单拷贝区域(LSC)、一个小单拷贝区域(SSC)和两个反向重复区域(IR)组成的四部分结构(Akrami等人,2025年;Soorni和Golchini,2025年)。它编码参与光合作用、转录和翻译的关键基因,是进化研究和系统发育研究的宝贵资源。由于其保守性,叶绿体基因组被广泛用于物种鉴定、群体遗传学研究及解决分类学上的不确定性。此外,叶绿体基因组中的高度变异区域可作为区分密切相关物种的分子标记(Daniell等人,2016年;Dobrogojski等人,2020年;Zhang等人,2023年)。
已有多个 Nepeta 物种的叶绿体基因组被测序,有助于了解它们的遗传结构和进化关系。例如,Nepeta bracteata 的叶绿体基因组长度为151,588 bp,包含130个基因,其中87个为蛋白质编码基因,35个为tRNA基因(Chen等人,2024年)。比较分析发现了一些高度变异的区域,如 ndhH-rps15trnH-GUG-psbA,这些区域可作为物种鉴定的分子标记(Chen等人,2024年)。同样,Nepeta cataria 的叶绿体基因组长度为152,339 bp,包含132个基因,系统发育分析表明它与 Callicarpa nudiflora 亲缘关系密切(Zhou等人,2020年)。另一项关于 N. cataria 的研究报道其叶绿体基因组稍大(153,526 bp),并指出其与 Nepeta racemosa 的密切进化关系(Luo,2019年)。
此外,西藏地区的多个 Nepeta 物种也已被测序,包括 Nepeta dentataN. hemsleyanaN. laevigataN. thomsonii。这些物种的叶绿体基因组均具有典型的四部分结构,大小介于151,893 bp(N. hemsleyana)至152,312 bp(N. dentata)之间。所有四个物种都含有88个蛋白质编码基因、37个tRNA基因和8个rRNA基因,与其他唇形科成员一致。系统发育分析表明这些物种之间具有密切的进化关系,其中 N. dentataN. laevigata 形成一个独立的支系,而 N. hemsleyanaN. thomsonii 在基因排列上存在轻微差异(Niu等人,2023年)。
尽管已有多个 Nepeta 物种的叶绿体基因组数据,但 N. nuda 的基因组尚未被测序,这限制了对其系统发育位置和遗传特性的了解。为填补这一空白,我们测序了 N. nuda 的完整叶绿体基因组,并与其他 Nepeta 物种进行了比较分析。我们的研究结果为该属的基因组资源做出了贡献,并提供了关于 N. nuda 的进化关系和潜在药用价值的见解。

章节片段

叶绿体基因组的DNA分离、测序、组装和注释

我们从伊朗东阿塞拜疆省的Heris县采集了 N. nuda 的新鲜叶片样本。采集这些植物样本无需特殊许可。这些植物材料已正式鉴定,并保存在马什哈德费尔多维大学(FUMH)的标本馆中,编号为6302。使用DNeasy Plant Mini Kit(QiAGEN,德国)从100 mg的速冻组织中提取了基因组DNA,并通过1%琼脂糖凝胶进行了严格的质量评估。

叶绿体基因组的组装和注释

N. nuda 的叶绿体基因组已成功组装,显示出典型的四部分结构,总长度为152,195 bp,包括一个大的单拷贝区域(LSC,83,380 bp)、一个小的单拷贝区域(SSC,17,585 bp)和两个反向重复区域(IRa/IRb,各25,615 bp)(图1)。基因组注释共鉴定出131个功能基因,包括85个蛋白质编码基因、8个核糖体RNA(rRNA)和36个转运RNA(tRNA),以及两个含有内含子序列的基因(ndhBrpl2,这些基因在反向重复区域中重复存在)。

讨论

N. nuda 的叶绿体基因组表现出典型的四部分结构,与其他 Nepeta 物种(如 N. bracteataN. catariaN. hemsleyanaN. dentata)一致(Bautista等人,2022年;Chen等人,2024年;Niu等人,2023年;Zhou等人,2020年)。这种结构保守性是陆地植物叶绿体基因组的共同特征,已在唇形科和其他被子植物中得到广泛验证(Daniell等人,2016年;Jansen等人,2007年)。

结论

本研究首次完成了 N. nuda 的叶绿体基因组组装,为其基因组结构、进化动态及其在 Nepeta 属内的系统发育关系提供了重要见解。叶绿体基因组具有典型的四部分结构,特征包括偏向A/U结尾密码子的密码子使用偏好、中等程度的SSR多样性,以及高度变异的区域(ycf1matKrpl32-trnL-UAG),这些区域可作为物种鉴定的潜在分子标记。

CRediT作者贡献声明

Fatemeh Alsadat Hejazi: 负责写作、审稿与编辑、方法学研究、数据分析及概念框架的构建。 Aboozar Soorni: 负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学研究、资金申请、数据分析及概念构思。

出版同意

不适用。

伦理批准和参与同意

作者声明,本文描述的植物实验研究符合机构、国家和国际指南的要求。本文未涉及任何濒危或受保护的物种。

资金支持

本研究未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

不适用。

生物通微信公众号
微信
新浪微博


生物通 版权所有