橐吾属和麻黄属药用植物叶绿体基因组结构和鉴定研究
Molecular Structure and Identification Analysis of Chloroplast Genomes of Ligularia and Ephedra Herbs作者单位:北京协和医学院
学位级别:硕士
导师姓名:姚辉
授予年度:2019年
学科分类:0710[理学-生物学] 07[理学] 09[农学] 071007[理学-遗传学] 0901[农学-作物学] 090102[农学-作物遗传育种]
摘 要:有毒植物一般指对人和家畜等产生有害作用的植物,其富含的生物碱、苷类等有毒成分,对神经系统、呼吸系统等有很大伤害。实际上,许多有毒植物也是药用植物,具有重要的药用和经济价值。本研究的橐吾属和麻黄属植物均具有悠久的药用历史,但某些橐吾属植物含吡咯里西啶类生物碱,具有肝毒性,含麻黄碱的麻黄属植物过量使用会引起中枢神经系统兴奋,从而导致中毒。因此,对其进行准确鉴定不仅能够保障安全用药,还能避免不必要的损失。本研究通过总基因组DNA提取、Illumina高通量测序、序列拼接和组装,得到叶绿体全基因组,然后进行序列注释与提交、结构分析和系统发育分析,分别对橐吾属和麻黄属的植物进行鉴定研究,以期为这两个属的物种鉴定和安全用药提供理论基础。1.橐吾属植物为菊科多年生草本,该属约有140个种,一些物种的根常以“紫菀或“山紫菀之名入药,国内有30余种长期作为民族药用于治疗疾病。该属种间杂交普遍存在、形态变化复杂,使用通用DNA条形码也没有得到理想的鉴定效果。本文基于叶绿体基因组对六种橐吾属植物,即狭苞橐吾Ligularia intermedia Nakai、复序槖吾Ligulariajaluensis Kom.、全缘橐吾 Ligularia mongolica(Turcz.)DC.、鹿蹄橐吾Ligularia hodgsonii Hook.、离舌橐吾Ligularia veitchiana(Hemsl.)Greenm.和蹄叶橐吾Ligularia fiascheri(Ledeb.)Turcz.进行鉴定研究。(1)六种橐吾属植物叶绿体基因组均呈环状四分体结构,包括一个大单拷贝区(largesingle-copy,LSC)、一个小单拷贝区(smallsingle-copy,SSC)和两个反向重复区(invertedrepeats,分别为IRa和IRb),叶绿体基因组大小为151,118-151,253 bp,SSC、LSC和IR区长度分别约为18.2kb、83 kb和24.8kb,GC含量均为37.5%。(2)六种橐吾属植物叶绿体基因组均编码134个基因,包括87个蛋白编码基因,37个tRNA基因,8个rRNA基因和2个假基因(ycf1和rps19)。(3)六种橐吾属植物叶绿体基因组含不同类型和数量的长重复序列,且均含4种类型的简单重复序列(simplesequencerepeats,SSRs),其中,单核昔酸数量占所有SSRs的56.6-60.7%,二核苷酸占11.5-13.2%,三核苷酸占9.3-9.8%,四核苷酸占18.0-21.6%,SSRs主要分布在单拷贝区的非编码区。(4)六种橐吾属植物叶绿体基因组序列的结构和组成高度相似。如大多数菊科物种,这六个叶绿体基因组在LSC区的23 kb的大倒置区(inversion)中有一个3.4 kb的小倒置区。叶绿体基因组全局比对未筛选到高变区用于这六个物种的鉴定,同时,六种橐吾属叶绿体全基因组比对发现,叶绿体全基因组有望作为超级条形码用于橐吾属物种的鉴定。基于叶绿体全基因组构建ML(maximum likelihood,最大似然法)系统发育树,发现六个橐吾属物种组成一个单系,支持率为100%。2.麻黄属植物为麻黄科灌木,该属约有40种植物,分布在亚洲、欧洲东南部、北非和美洲的干旱、荒漠地区。该属植物在形态上较难区分,通用DNA条形码也未能将《中国药典》收载的草麻黄Ephetdra sinica Stapf、中麻黄Ephedraa intermedia Schrenk ex Mey.和木贼麻黄Ephedra equisetina Bge.鉴别开。本研究对这三种麻黄属植物的叶绿体基因组进行解析、比较,并进行鉴定研究。(1)三种麻黄属植物叶绿体基因组均为环状四分体结构,叶绿体基因组大小为109,550-109,667bp,LSC、SSC和IR区长度分别约为59.9kb、8kb和20.7kb,GC含量约为37%,LSC和IR区GC含量分别为34.2%和42%,SSC区GC含量为27.3-27.8%。(2)三种麻黄属植物叶绿体基因组均编码118个基因,包括73个蛋白编码基因,37个tRNA基因和8个rRNA基因,与烟草属Nicotiana L.相比,其叶绿体基因组缺失 NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide,还原型辅酶 Ⅰ)脱氢酶基因、rps16、rpl23、rpl32、ycf1和 accD 基因,但含 chl基因(chlB,chlL 和 chlN 和光系统 Ⅱ相关基因psbL、psbM、psbN、psbT、psbZ。(3)三种麻黄属植物叶绿体基因组中SSRs数量分别为55,62和59个。中麻黄LSC、IRa、IRb、SSC区分别有37、4、4、10个SSRs,草麻黄分别