曲茎石斛及三个近缘种线粒体基因组比较研究.pdf

摘要

石斛属（Dendrobium）是兰科（Orchidaceae）最大属之一，包含10个亚属和27

个组，主要分布于亚热带、亚洲热带以及大洋洲。石斛作为药材，早在2000多年前

的《神农本草经》中就有记载，作为上品，至今备受青睐。近期，国家林业和草原

局、农业农村部正式向社会公布的《国家重点保护野生植物名录》中，将曲茎石斛

（DendrobiumflexicalueZ.H.Tsi,S.C.SunL.G.Xu）列为我国一级重点保护植物。

课题组前期通过实地调查发现，曲茎石斛（Dendrobiumflexicaule）与铁皮石斛

（DendrobiumofficinaleKimuraMigo）、金钗石斛（DendrobiumnobileLindl.）和霍

山石斛（DendrobiumhuoshanenseC.Z.TangS.J.Cheng）形态较为相似，严重影

响药用的安全性和有效性。为更好地了解石斛，丰富其遗传信息，保护其遗传资源，

本研究以曲茎石斛为主要研究对象，选取四个石斛物种的新鲜健康、无病害的叶片

为材料，对其线粒体基因组进行了测序、组装和综合性比较分析，发现曲茎石斛与

铁皮石斛具有近缘关系。因此，统计和测量曲茎石斛和铁皮石斛的叶片及假鳞茎等

性状，为二者的鉴定提供方法。具体内容如下：

1、采用二代（Illumina）和三代（Nanopore）相结合的高通量测序方法对四个

石斛属物种线粒体基因组进行测序，共获得72.61Gb数据，其中包含25.9Gb二代测

序数据和46.71Gb三代测序数据。通过拼接组装获得四个石斛属物种的线粒体基因

组，大小分别为：曲茎石斛596506bp，铁皮石斛625267bp，金钗石斛772523bp和

霍山石斛650957bp，且四个石斛属物种的线粒体基因组分子构型均由多个环状结构

组成，其中曲茎石斛有20条contigs，铁皮石斛有21条contigs，金钗石斛有25条

contigs，霍山石斛20条contigs。

2、通过对蛋白编码基因进行注释发现，结果表明四个石斛属物种的线粒体蛋白

编码基因数量之间存在明显差异，其中曲茎石斛和铁皮石斛各有64个蛋白编码基因，

19个tRNA，3个rRNA；金钗石斛有68个蛋白编码基因，20个tRNA，3个rRNA；

霍山石斛有69蛋白编码基因，21个tRNA，3个rRNA。值得注意的是，金钗石斛线

粒体基因组的contigs11、contigs20、contigs24无基因分布。

3、密码子偏好性分析显示GCU编码的丙氨酸在四个石斛属物种的密码子使用

模式上均呈现使用偏好，其中曲茎石斛和金钗石斛RSCU值达到1.61，铁皮石斛和

霍山石斛RSCU值达到1.62。通过中性绘图分析，四个石斛属物种线粒体密码子偏

好使用模式中，自然选择占范围99.15%-99.75%，表明自然选择是影响密码子偏好

的主要原因。

4、四个石斛属物种线粒体基因组存在大量的重复序列，共鉴定到简单重复序列

有647条，串联重复序列有345条，散在重复序列有396条。

5、四种石斛属植物线粒体基因组中共鉴定到440个同源片段，对这些同源序列

进行注释，共有173个完整基因被发现。我们推测石斛属物种线粒体基因组的扩增

很大程度上源于基因组之间重复序列和同源序列的增加。

6、对四个石斛属物种线粒体基因组中的147个独特的蛋白编码基因的RNA编

辑位点进行预测，共预测了2023个RNA编辑位点，其中ccmFc基因和atp8基因在

四个石斛属物种当中的RNA编辑位点频率最高和最低的，编辑次数分别为168和1。

此外，在所有的RNA编辑中，绝大多数氨基酸由亲水氨基酸转换成疏水氨基酸，使

得四个石斛属物种线粒体基因组结构的稳定性增强。

7、选取天门冬目的9个物种的线粒体基因组进行全基因组比对分析，四个石斛

属物种的线粒体基因组经历了大量的基因重排。

8、依据石斛属线粒体基因组的25个共有蛋白编码基因计算同义和非同义替换

率，结果表明ccmFc、matR、mttB、rps2和rps10基因的Ka/Ks1，且rps10基因

Ka/Ks2，这可能是该基因参与了细胞过程或环境响应。

9、系