基于叶绿体基因组信息的柳属进化分析
摘要：叶绿体基因组学是植物进化生物学的发展趋势.叶绿体基因组与核基因组相比，结构保守，置换率适中，大小仅次于核基因组, 且富集核苷酸与氨基酸序列信息，编码区与非编码区分子进化速率差异显著，适用于各阶层系统发育学研究。要以基因信息为基础对柳树进化，测序，组装分析。以基因组测序是基因功能解析，表达，进化研究基础，开展叶绿体进化分析，界定植物之间亲缘关系。利用双脱氧链终止方法形成了第一代测序技术，并通过毛细管电泳检测荧光信号加快了测序技术。同时，通过高分辩率的CCD检测释放了荧光的颜色和强度，从而达到了测定DNA序列的目的。其柳树叶绿体基因组的组装和分析，获取柳树基因组结构信息和变异。并以后进化研究提供依据。
关键字：柳属、叶绿体基因组、测序、进化分析，组装
一 、前言：
1.叶绿体基因组
1.1叶绿体基因组的起源与发展
叶绿体的起源存在多种假说，但最普遍为人们所认可的是＂内共生起源＂学说，该学说认为叶绿体源于原始真核细胞内共生的蓝藻。真核细胞的直接祖先为一种不需氧的且具有吞懂能力的古核生物，其生命活动所需的能量来源主要为其自身所吞隨的糖类物质。其中部分物种在吞隨真细菌的同时，伴随吞隨了某种原始的蓝藻，蓝藻在宿主细胞内未被消化而逐步与宿主细胞形成了互利共生关系，在长期的演化过程中演变成为宿主细胞内的行使光合作用而发挥自养功能的细胞器官一叶绿体。叶绿体保留的一些其祖先的基本特征和痕迹，为＂内共生起源＂学说提供了大量证据。近几十年来，随着大规模测序技术的不断发展Ｗ及序列拼接技术的不断完善和叶绿体基因姐研究的不断深入，人们对叶绿体基因组的关注度明显升高，叶绿体全基因组序列测定数目急剧增加。随着地钱（Ｏｈｙａｍａｅｔａｌ．，巧８６）和烟草（Ｍrsquo;ｃｏ打ａｎａ口／ａｔｏ）（Ｓｈｉｎｏｚａｋｉｅｔａｌ．，１９８６）等叶绿体基因组测序的完成，迄今已积累有水稻（Ｏ／ｊｚａｓａｆｔrsquo;ｖａ）（Ｃｕｉ，２００６）、文屯、兰（Ｏｗｅ诚Ｍ７Ｍ）（Ｗｕ，２０１０）、大豆（ＧｆｙｃＺ＂ｅｗａｘ）（Ｓａｓｋｉ，２００５）、高山南芥ａ斬打口）（ＣｈｒｉｓｔｅｌｌｅＭｅｌｏｄｅｌｉｍａａｎｄＳｔ合ｐｈａｎｅＬｏｂｒｅａｕｘ，２０１３）、水蕴草（￡７〇庇幻ｃａ乃幻成内ｓｉｓ）（ＨｕｏｔａｒｉａｎｄＫｏｒｐｅｌａｉｎｅｎ，２０１２）、窝宦（王ａｃ化ｃａｓａｆｔＶａ）（Ｒｕｔｈｅｔａｌ．，２００７）等较为丰富的真叶植物叶绿体基因组全序列数据。截至２０１７年３月，ＮＣＢＩ中已经公布的陆生植物叶绿体基因组数据达到１１５７条，其中２０１０年来测定的序列数目占８９％Ｗ上（图１．１）。测序技术的发展和叶绿体基因姐生物信息学分析技术的成熟，使得叶绿体基因组序列数量迅速增加，叶绿体基因组的研究也随着叶绿体基因组数目的増加得到了迅速发展，尤其是对农作物等陆生植物的叶绿体结构变异等方面的研究有了更进一步加深[5]。
1.2叶绿体基因组硏究进展
叶绿体是绿色植物中进行光合作用的细胞器，在真核自养生物尤其是陆生植物和藻类植物中普遍存在。除了进行光合作用外，叶绿体在植物细胞内还参与淀粉、氨基酸、脂肪酸、色素及维生素的生物合成，Ｗ及硫酸盐还原作用和氮循环等各种生化反应（Ｂａｕｓｈｅｒｅｔａｌ．，２００６；ＪａｒｖｉｓａｎｄＳｏｉｌ，２００１；Ｌｅｉｓｔｅｒ，２０的;ＮｅｕｈａｕｓａｎｄＥｒｎｅｓ，２０００），为生物的进化提供源动力。作为光合作用的中也，叶绿体具有完整的遗传系统，其中的遗传物质则为叶绿体基因组。对叶绿体基因组进行研究将有利于揭示植物光合作用的机制及代谢调控途径。叶绿体基因组具有不进行重沮和单性遗传的特点，因此常被作为植物系统进化分析中重要的遗传标记（Ｐｒｏｖａｎｅｔａｌ．，２００１；Ｒａｕｂｅｓｏｎ，２００７）。叶绿体作为一个半自主型细胞器，其中具有功能的多数蛋白质依赖于细胞核基因编码供给，因此，叶绿体基因组的深入研究有助于理解细胞核基因组与叶绿体基因组之间的相互调节作用。分子生物学和基因组学的日益发展为植物叶绿体的研究提供了有利条件，叶绿体基因组的深入探讨也为植物分类、系统发育化及物种鉴定等方面提供了重要的遗传信息。1977 年 Sanger 等发明的双脱氧链终止法和 Maxam 等人发明的传统化学降解法开创了基因组测序的先河。 双脱氧链终止法又称为 Sanger 法， 和化学降解法相比具有操作简单、速度快、 准确性高等特点， 而成为第一代测序技术的经典测序方法。 该方法在 DNA 合成过程加入带有荧光标记的 dNTP 不能形成磷酸二酯键， 因此每次只能合成一个碱基， 然后采用高分辨率的凝胶电泳和放射自显影来确定合成的碱基序列。 美国应用生物系统公司对上述测序技术进行改进， 应用四种不同颜色的荧光染料标记不同的 dNTP， 通过单引物PCR 反应， 合成 3#39;末端只差一个碱基的 DNA 片段混合产物， 并通过毛细管电泳检测荧光信号而实现了测序的自动化， 大大降低了测序时间和操作的难度。 正是基于该技术加快了测序进度， 而缩短了人类基因组计划完成的时间。 之后模式植物拟南芥和水稻也都采用了第一代测序技术完成了全基因组测序[3]。
1.3叶绿体基因组的进化
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