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比较在网上被子植物和裸子植物树属EST-SSRs的分析

摘要

背景

简单序列重复序列(SSRs)来源于表达序列标签(ESTs),属于基因组的表达部分,在基因调控、重组、DNA复制、细胞周期和错配修复等方面具有重要意义。本文比较分析了裸子植物属(7属17种)和被子植物属(8属40种)的5’utr、ORF和3’utr序列的SSR基序分布。

结果

我们的分析支持EST-SSR长度对裸子植物基因组大小的适度贡献,而在被子植物和裸子植物中,EST-SSR密度与基因组大小均不相关。在裸子植物中,EST-SSRs丰度较低似乎是由多种因素造成的,这与基因组大小多样性呈非线性关系。AG/CT motif在被子植物和裸子植物的SSRs中都是最丰富的,而裸子植物的AT/AT相对增加。我们的数据还揭示了在裸子植物属中,六聚体的丰度更高。

结论

本文的分析为未来在物种水平上的比较研究提供了基础,以揭示控制被子植物和裸子植物的SSR发生和分化的进化过程。

背景

微卫星,也称为SSRs(简单序列重复)或STRs(短串联重复),是真核和原核基因组的编码和非编码部分中都存在的1-6 bp串联重复基序[1] - [3.].SSRs在基因组的转录区域尤其丰富,使其成为植物遗传研究中有价值的分子标记[4].SSRs源于复制和不平等重组过程中dna聚合酶滑移引起的突变[5].ssr具有共显性遗传、相对丰度、多等位基因性质、高重复性和易于检测等特点,在植物遗传研究中得到广泛应用[6].

表达序列标签(ESTs)是通过cDNA文库单次测序产生的表达基因片段[7].与基因组SSRs相比,EST-SSRs代表位于基因组编码部分的功能标记,并且EST-SSRs长度的改变可导致表型效应,与突变位点无关,无论是发生在5 '或3 ' -未翻译区域(utr)或开放阅读框架(orf) [8].EST-SSRs作为群体遗传研究分子工具的重要性早已为人所知[9].在木质林木中,EST-SSRs已被应用于种群研究和遗传多样性分析铁树10),云杉11],[12),李属13],[14),桉树15],[16),杨树17];例如,在混合选择中,柑橘类18];还有基因图谱柑橘类19),Quercus20.],[21),松果体22].此外,与基因组SSRs不同,EST-SSRs很容易跨物种转移[23],因此可以研究相关物种的多态性和遗传多样性[9].然而,EST-SSRs相对于基因组SSRs有一些缺点,因为已知EST-SSRs的可变性小于基因组SSRs [24]并且由于侧翼部分内含子的存在,扩增子的大小也可能与预测的大小不同[25].

随着基因组学的出现,公共数据库(如NCBI的dbEST数据库)中ESTs的可用性呈指数级增长,从而能够识别大量est - ssr。例如,对木质树木的EST微卫星进行了特征描述和比较分析柑橘类26] - [28),桦木属29),水青冈属30.),李属31),Quercus20.),杨树17],[32),桉树33] - [35),日本柳杉36],[37),铁树38] - [40),银杏41),云杉5],[12),松果体5],[42].然而,对每个EST基因组片段(即5 ' -和3 ' - utr和ORF)的SSRs分析仅在Quercus20.),日本柳杉37),松果体43].不幸的是,这三项研究的大部分结果都是针对整个EST的,这可能导致不准确的结果。例如,在日本柳杉二聚体是3'UTR部分最常见的基序;此外,当所有三个EST分数一起考虑时,三聚体被认为是整个EST中最常见的基序[37].此外,总体结果显示AT是最常见的二聚体基序,而对每个EST片段的分析分别显示AG是ORF片段中最常见的二聚体[37].这些结果表明,将整个EST序列作为一个单元进行SSR表征只能提供部分信息,这可能会产生误导,并导致各研究之间的差异。

不同植物研究中EST-SSRs基序丰度和分布的其他差异可归因于参数设置[25],标注不足[44],所选EST-SSR分析算法[20.].例如,在中报道了更高丰度的EST-SSR二聚体松果体45],[46],而Yan等。[47]报道三聚体是同一属中数量最多的。因此,当EST数据集应用相同的生物信息学程序进行分析时,比较EST- ssrs研究将更加可靠。在本研究中,我们分别对精选的被子植物属和裸子植物属(以木本树木为重点)EST的每个基因组片段(5'UTR, ORF和3'UTR)的SSRs进行了比较分析。目的是提供关于SSR-EST丰度、组成和分布的高度可比性数据;对于分化~350 Myr [48].

结果

表格1显示了EST-SSRs长度值和5'UTR、ORF和3'UTR分数中每个属的EST-SSR计数(另见附加文件)1:表S1)。

表1:(a)被子植物和(b)裸子植物各基因组部分每Mbp EST-SSR计数

EST-SSR的长度和复杂性

EST-SSRs长度在类群内和类群间的三个基因组片段之间无显著差异。在被子植物中,任何EST片段的基因组大小与EST- ssrs长度之间均无显著相关性。而在裸子植物中,二者呈显著正相关(r = 0.6;基因组大小与EST- ssrs基序长度之间的p值< 0.03)。

在两个类群和所有三个基因组片段中,完美EST-SSRs比复合EST-SSRs更常见(附加文件)1:表S2)。在被子植物中,桉树(ORF)中复合EST-SSR基序所占比例最高(7.4%)铁树(3’utr)在裸子植物中复合SSR基序所占比例最高(6.8%)。比较类群内和类群间复杂EST-SSRs比例的统计检验均不显著。此外,复杂性与基因组大小没有显著相关。

EST-SSR丰度(每Mbp motif计数)

(我)总体

在被子植物中,SSR计数在属间有很大的差异李属有异常高的丰度的EST-SSR计数在5'UTR部分显著升高,而在orf中显著降低。裸子植物的SSR计数范围比被子植物窄苏铁科植物而且Gnetum具有最高价值的。EST-SSRs在3'UTR区富集显著,而在5'UTR区与ORF区差异不显著。EST-SSRs在被子植物中含量明显高于裸子植物。在两个类群中均未发现密度与基因组大小之间的关联。

(ii)按图案尺寸

每个EST-SSRs的每Mbp根据motif大小的计数分布见表2.在被子植物和裸子植物中,二聚体基序在所有三个基因组片段中均显示出较高的计数数,其次是三聚体,除了柑橘类(ORF,三聚体>二聚体),日本柳杉(ORF,三聚体>二聚体)和Gnetum(5'UTR和ORF,三聚体>二聚体和三聚体>六聚体)。二聚体和三聚体之间无显著差异日本柳杉(5 'utr)Gnetum(3 'utr)。在这两个类群中,ORF中最常见的基序是二聚体>三聚体>六聚体。在裸子植物的UTRs中也经常观察到相同的基序排列。此外,在被子植物中,六聚体在UTRs中较少排在第三位,这支持了六聚体在被子植物UTRs中的低代表性。尽管在所有三个基因组片段中,二聚体是大多数属中数量较高的基序,但在ORF中二聚体与三聚体的比例明显较低,这表明在两个类群的ORF片段中三聚体都较丰富。有趣的是,Gnetum是唯一一个二聚体在丰度方面排名第三的属(ORF,三聚体>六聚体>二聚体);三聚体和六聚体在三个组分中都相对丰富。在Fraxinus而且水青冈属,三聚体和六聚体也相当丰富。

表2:(a)被子植物和(b)裸子植物各基因组片段中不同SSR基序的每Mbp计数

(iii)由二聚体和三聚体核苷酸组成

跨基因组组分和属的二聚体和三聚体核苷酸组成计数见表3..在被子植物中,AG/CT二聚体基序在所有基因组片段和属中每Mbp的计数数最高,AT/AT基序次之桦木属(AT/AT和AG/CT数量相近),柑橘类(3 'utr;/)和杨树(3 'utr;/)。在裸子植物中,AT/AT是3'UTR序列中最丰富的二聚体基序日本柳杉铁树而且GnetumAT/AT和AG/CT的数量相似。在裸子植物的5'UTR和ORF序列中,AG/CT是大多数属中最丰富的基序铁树(5 'utr),银杏(ORF)和苏铁科植物(ORF), AT/AT和AG/CT数量相近;而且银杏(5 'utr),苏铁科植物(5 'utr)铁树(ORF),其中AT/AT含量最高。总的来说,AT/AT往往是裸子植物中最丰富的二聚体。二聚体基序CG/CG在大多数属中均不存在,仅在其ORF中低密度存在杨树而且Quercus

表3 (a)被子植物和(b)裸子植物中所有三个基因组组分中二聚体和三聚体基序的每Mbp计数

在被子植物和裸子植物的3'UTR序列中,除AAT/ATT外,其余属的三聚体基序最为丰富桉树(AAG/CTT、AGG/CTT和CCG/CCG数量相近),Fraxinus(AAT/AAT和ACT/AGT的数量相似),李属(ACT/AGT最丰富)和Gnetum(AAG/CTT最丰富)。在被子植物的5'UTR和ORF组分中,AAG/CTT在所有属中含量最高桦木属(5 'utr;AAC/GTT和ACT/AGT的数量相似),桦木属(开放;AAG/CTT、AAC/GTT和ACC/GGT数量相近),桉树(开放;CCG/CCG最丰富),Fraxinus(开放;AAG/CCT、ACT/AGT、AAT/ATT和ACC/GGT数量相近)李属(开放;ACT/AGT最丰富)。此外,在裸子植物的5'UTR和ORF中,没有单一的三聚体基序排在第一位,而是在不同属中各不相同。

讨论

在本研究中,我们对被子植物和裸子植物两个类群的木本树木进行了属级分析,研究了EST- ssrs在3个EST基因组片段(5’utr、ORF和3’utr)中的发生。EST基因组片段的分属EST- ssr分析分别支持EST- ssr基序在EST序列中的不均匀分布。在裸子植物中,EST-SSR的长度与基因组大小呈正相关(即基因组越大,EST-SSR的长度越长)。然而,EST-SSR密度与基因组大小不成正比;相反,其他因素似乎对裸子植物的EST-SSR密度有贡献。我们观察到被子植物属和裸子植物属之间的两个主要差异,这可能反映了它们在分化后的进化差异。48],例如在裸子植物属中增加了六聚体和AT-rich基序。

EST-SSRs对基因组大小多样性的贡献较小

我们的EST-SSRs长度值与之前文献报道的一致[5],[27],[45].在裸子植物中,我们观察到EST-SSRs长度与基因组大小之间存在显著的正相关。因此,最大的基因组(松果体而且云杉)也拥有平均最长的EST-SSRs。尽管这表明在这两个属中对基因组扩大有更高的放松,但所研究的裸子植物属之间的微小长度差异表明EST-SSRs长度有助于松果体而且云杉基因组肥胖可能只是适度的。相反,EST-SSRs长度被认为主要是滑移事件和点突变之间平衡的结果[8],这导致了相当均匀的EST-SSRs长度,如前所述[45].与裸子植物不同,我们的分析不支持被子植物中EST-SSRs长度与基因组大小之间的关联。然而,被子植物的多重多倍体化事件及其在基因组大小多样化中的作用可能掩盖了这种潜在的联系[49].虽然其他因素可能在被子植物的基因组大小多样性中发挥了作用;转座子(TE)膨胀似乎是最具决定性的因素[50].针叶树基因组的扩张也可以在很大程度上归因于TE的扩张[51],[52],尽管其在基因组大小多样化中的作用尚未在裸子植物分类单元中得到证实。

我们的值为完美和复合EST-SSRs的百分比Gnetum而且松果体同意维多利亚等人的报道。[46]并且在任何分类群中都与基因组大小无关。我们的数据也不支持总体EST-SSRs丰度对基因组大小扩展的贡献。相反,与裸子植物相比,具有更小基因组的被子植物属显示出平均更高丰度的EST-SSRs(高出4个数量级)。裸子植物中EST-SSRs的密度较被子植物低,这与之前的报道一致[5],[45],[47]并且不支持Morgante等人提出的跨物种基因组转录部分中SSRs可能恒定丰度的说法。[4].一些研究得出结论,EST-SSRs丰度与基因组大小成反比[5],[37],而其他人则将EST-SSRs的丰度部分归因于选择的作用和调节滑移误差的机制的有效性[44],[53].然而,我们更广泛的研究并不支持EST-SSR丰度与基因组大小之间的简单线性关系。例如,两个裸子植物属等Gnetum而且苏铁科植物SSRs的频率与被子植物属,如柑橘类美国的基因组规模较小。这表明,需要考虑其他影响两个类群基因组进化的因素来解释植物王国EST-SSR的丰度多样性。

在裸子植物和被子植物中,EST- ssr的丰度也不同。在被子植物中,EST-SSRs在5'UTR部分的丰度显著更高,而在裸子植物中,EST-SSRs在3'UTR部分的丰度平均更高。在被子植物中,UTR部分的EST-SSRs密度较高,此前已有报道[4],[20.],[54],[55];而其他研究则支持ORF部分的丰度更高[44].5'UTR中较高的EST-SSR丰度可能归因于一种调控作用[56],[57].在日本柳杉, ORF部分的EST-SSRs密度也较高[37].然而,由于单独对每个EST馏分进行的研究数量有限,对这些馏分中SSRs相对丰度的概括需要进一步研究。

基序大小:虽然二聚体占主导地位,但六聚体在裸子植物EST序列中更常见

我们的研究显示,在所有三个基因组片段(有六个例外)中,二聚体的丰度总体上更高。在一项包括较低和较高植物物种的EST-SSRs分析中,Victoria等人[46]报道了三聚体在大多数高等植物类群中更为频繁;而被子植物树的个别研究表明,二聚体是最丰富的基序属,如杨树17],[45),桉树16],[34].在Quercus,三聚体被报道为ORF部分中最丰富的基序,而二聚体在UTR部分中更频繁[20.].三聚体是最常见的主题柑橘类根据一些研究[19],[27]而Palmieri等人。[28]将二聚体描述为同一属中最丰富的基序。在裸子植物中,更高丰度的EST-SSR二聚体已在松果体云杉,银杏5],[24],[45],[46];而严等人。[47]报告中三聚体数量最多松果体.同样,三聚体在ORF中最为常见松果体,而二聚体在3'UTR部分中最常见[43].与我们的研究一致的是,三聚体在ORF中的表达增加日本柳杉37].据报道,三聚体和六聚体在ORF中比utr中更常见Quercus20.),日本柳杉37].类似地,我们还观察到三聚体和六聚体在这两个分类群中也很常见。

我们的数据表明,尽管二聚体在所有三个基因组部分的大多数属中是最频繁的重复,但在ORF部分中,二聚体与三聚体(二聚体/三聚体)的比例显著降低。三聚体在编码区的优势在动物和植物中已有报道[58].考虑到二聚体改变移码(即核苷酸三联体或密码子是翻译的单位),三聚体中的ORF富集是预期的,如果要保持ORF正确翻译为蛋白质,则应避免这种情况。ORF部分中SSR二聚体的存在可能会潜在地影响基因氨基酸序列,从而由于移码突变而改变其功能,而UTR部分中的SSR会影响基因产物的转录、翻译或剪接[8].此外,如果二聚体重复的数量能被3整除,则会导致两个氨基酸(如AT)的交替。6: ATA-TAT-ATA-TAT: il - tir - il - tyr),因此可能会使阅读框架保持不变,正如Kantety等人先前在谷物物种中提出的那样[59].

二聚体/三聚体核苷酸组成:富含at的基序在裸子植物中很常见

我们的研究表明,AC/GT基序的丰度在所有研究属中都很低。与哺乳动物不同,AC/GT基序在植物中出现频率较低[4],[60].植物和哺乳动物之间的差异归因于甲基化模式的差异。动物中AC/GT的丰度可能是甲基化C残基向T (CG/CG→AC/GT)转变的结果,而植物中C热点的缺失可能阻止了AC/GT重复序列的优势[4],[60].与之前的工作一致,CG/CG基序(通过甲基化产生CpG岛作为调控元件)在我们所研究的所有属中几乎不存在。然而,在被子植物中AG/CT(所有三个基因组片段)和AAG/CTT (5'UTR和ORF)基序总体上占主导地位,它们也是植物甲基化的目标[61].在裸子植物中,AG/CT也是5'UTR和ORF序列中含量最多的基序(少数属中AT/AT含量较高)。在3'UTR区域,AT/AT(裸子植物)和AAT/ATT(两个类群)占优势,这两个类群都不是甲基化的目标[62].脊椎动物中3'UTR部分中A + T核苷酸的含量增加之前已经有报道[63],哺乳动物[64],酵母[65),拟南芥4],这似乎与UTR处理信号组成有关。

AG/CT和AT/AT二聚体基序在EST序列中的总体优势得到了之前被子植物研究的支持[20.],[34],[47]和裸子植物[5],[46],[47].AG/CT在被子植物中含量最高桉树16],[34],[47),柑橘类26] - [28),杨树45],[47],[66].在Quercus, AC/GT是最丰富的二聚体[20.].与AT/AT基对裸子植物的整体富集一致(特别是在3'UTR部分),其他研究也报道了AT/AT是在裸子植物中最常见的二聚体松果体5],[43],[45] - [47),云杉5],[24],[45),银杏45].Berube等人。[5]也证明了类似的发现,在3 '测序的est中,AT/AT二聚体的丰度更高松果体而且云杉.AG/CT基序的含量最高铁树45),Gnetum46];后者也得到了我们数据的支持。在日本柳杉, AT/AT在UTR中含量最高,AG/CT在ORF中含量最高[37].

与我们的结果一致,先前的研究也支持被子植物中AAG/CTT motif的丰度更高。在裸子植物中,我们的研究发现AAT/ATT基序在3'UTR部分占主导地位;此外,三聚体优势在其他两个分数似乎属依赖。在被子植物中,AAG/CTT频率排名第一桉树16],[47),柑橘类26] - [28),杨树45],[47],[66].在桉树,其他研究报告了AGG/CCT [34作为最丰富的三聚体母题。在Quercus, AAT/ATT是最常见的三聚体基序[20.].在裸子植物中,AAT/ATT是数量最多的三聚体松果体45].其他研究报告AAG/CTT是最常见的三聚体松果体43],[47),云杉24),铁树45].ACG/CGT是三聚体中含量最多的松果体而且云杉5].在日本柳杉,我们在EST片段上的三聚体基序优势与[37](即AGG, 5'UTR;亚美大陆煤层气有限公司,开放;AAT, 3 'utr)。

结论

我们对8个被子植物属和7个裸子植物属的EST-SSR比较分析揭示了两个类群之间有趣的差异特征。虽然二聚体在裸子植物EST序列中占主导地位,但六聚体在裸子植物EST序列中比被子植物更常见,而二聚体中富含at的基序在裸子植物中最为丰富。这些结果为今后在物种水平上的比较研究提供了基础,以揭示控制被子植物和裸子植物的SSR发生和分化的进化过程。

方法

基因组资源与生物信息学

本研究分析的EST资源描述见附加文件1:表S1。本研究考虑了被子植物8属40种和裸子植物7属17种的EST-SSR分析。所选物种的EST序列从NCBI的dbEST数据库中检索。本工作的物种选择、分析和结果的标准是基于EST数据库中序列数据的可用性。为了消除冗余,EST序列使用序列装配程序CAP3及其默认设置,按物种将序列装配为contig和singlet。67].对于每个属,将种级组装的contigs和singlets聚集在一起,并使用CD-HIT去除属级的序列冗余[68],截断值为90%(确保90%的序列同一性)。ORF检测基于与用于从给定核苷酸序列中搜索编码区域的通用真核生物基因预测程序相同的原理。基于被子植物(Arabidopsis)和裸子植物(Gymnosperms, Norway spce)蛋白质编码基因训练的编码势谱,我们使用AUGUSTUS [69]来区分编码区和UTR区,以及给定转录本序列的编码方向。在转录本序列上检测ORF的主要特点是ORF位于一个无内含子的单外显子编码区。然而,由于UTR区域具有意想不到的更高编码潜力,一个转录本可能包含多个ORF。在这种情况下,我们选择最长的ORF作为真正的编码区,相邻的核苷酸序列作为UTR区。因此,从EST序列的每个属序列集合中选择最长的ORF,并根据ORF的坐标方向分配序列的5'UTR和3'UTR分量。根据每个属建立了3组序列,即5'UTR、ORF和3'UTR。SSRLocatorI v.1 [70]在属水平上检索了三个类群的SSR信息。使用SSRLocator进行以下设置,分别显示SSR重复序列和重复数,二聚体-10、三聚体-7、四聚体-5、五聚体-4、六聚体-4、七聚体-3、八聚体-3、非聚体-3、十聚体-2。化合物SSRs间距设置为100 bp。因此,出现在相邻区域低于100 bp的重复被认为是复合ssr。这些设置符合Temnykh等人所描述的更有效的分子标记I类重复元素(≥20 bp)的搜索参数。[71].单个核苷酸重复序列很难精确测定,通常从SSR分析中剔除[45],[72] - [74],因此这些重复被排除在本研究之外。因此,在本文中,我们讨论了特定于est的5'UTR, ORF或3'UTR部分的微卫星的出现。在记录特定重复基序的计数时,彼此的圆形排列和/或反向互补聚集在一起(例如AC = GT = CA = TG, ACG = CGA = GCA = TGC = GCT = CGT = AGC = TCG = CAG = GTC = TGC = GAC和AAC = ACA = CAA = TTG = TGT = GTT) [5].我们还筛选了完美和复合SSRs。完美SSRs是简单串联序列的重复母题,重复中没有任何中断(例如TATATATATATATATA或[TA]n);而一个复合SSR由包含两个相邻的不同SSR的序列组成,这些SSR由无到任意数量的碱基对分隔(例如TATATATATAGTGTGTGTGT或[TA]n-[GT]n)。

统计分析

采用非参数Tukey HSD检验比较各类别EST-SSRs长度的均值。我们进行了2 × 3的应急X2在三个EST基因组区域中检测微卫星计数(motif计数/ Mbp中EST-总分数)的异质性。统计分析均采用R软件包[75].

额外的文件

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确认

SSR的工资由SLU森林科学学院支持,Umeå,瑞典。SSR的旅费由FORMAS的旅费补助金支付。YCL由Wallenbergs Stiftelse,挪威云杉基因组计划支持。YCL和YVdP得到了根特大学多学科研究伙伴关系“生物信息学:从核苷酸到网络”的支持。作者感谢挪威云杉基因组联盟的计算资源的支持。

作者信息

从属关系

作者

相应的作者

对应到María德尔罗萨里奥García-Gil

额外的信息

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

作者的贡献

SSR参与了研究的设计和稿件的撰写。SSR进行生物信息学分析。MRGG参与了研究的设计和手稿的撰写。MRGG负责统计分析。YCL、AZ和YVdP为生物信息学工作做出了贡献。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

电子辅助材料

12870 _2014_220_moesm1_esm.docx

附加文件1:表S1。:EST database size, number of nucleotides used for SSR analysis and counts of repeat motifs per Mbp in each fraction: (a) Angiosperms and (b) Gymnosperms. Table S2 SSR motif complexity in: (a) Angiosperms and (b) Gymnosperms. (DOCX 56 KB)

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Ranade, s.s., Lin, YC。,祖科洛,A。et al。比较在网上被子植物和裸子植物树属EST-SSRs的分析。BMC植物生物学14日,220(2014)。https://doi.org/10.1186/s12870-014-0220-8

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关键字

  • 被子植物
  • 裸子植物
  • 表达序列标签
  • 简单序列重复序列(SSR)
  • 微卫星