1、1540 中草药 中草药 2023 年年 3 月月 第第 54 卷卷 第第 5 期期 Chinese Traditional and Herbal Drugs 2023 March Vol.54 No.5 药材与资源药材与资源 肉苁蓉属植物叶绿体基因组密码子偏好性分析1 冯 展1，江 媛3，郑 燕1，缪雨静2，黄林芳2*，罗光明1*1.江西中医药大学药学院，江西 南昌 330004 2.中国医学科学院北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193 3.大理大学药学院，云南 大理 671000 摘 要：目的 明确肉苁蓉属药用植物叶绿体基因组密码子使用偏性及影响因素。方法 以肉苁蓉 Cista
2、nche deserticola、盐生肉苁蓉 C.salsa、沙苁蓉 C.sinensis 和管花肉苁蓉 C.tubulosa 为研究材料，利用 CUSP 在线软件、CodonW 1.4.2、SPSS、Microsoft Excel 等软件分析其基因密码子使用偏性参数。结果 4 个肉苁蓉属植物叶绿体基因组的密码子使用模式相似，密码子均以第 3 位碱基 A/T 结尾且密码子使用更偏向 A/T 碱基；4 个物种的有效密码子数值（effective number of codon，ENC）均大于 35，说明肉苁蓉属物种叶绿体基因密码子偏好性较弱。中性绘图分析、有效密码字数（ENC-plot）分析、奇
3、偶偏好性（PR2-plot）分析和对应性分析的结果均说明自然选择是影响肉苁蓉属叶绿体基因组密码子偏好性的主要因素。利用同义密码子的相对使用频率（relative synonymous codon usage，RSCU）值筛选出肉苁蓉属 4 个物种共同拥有 4 个最优密码子。结论 对肉苁蓉属 4 个物种叶绿体基因组密码子使用偏性进行分析，揭示了影响其密码子偏好性的影响因素，为进一步探讨肉苁蓉属植物的系统进化、环境适应性和品种改良提供了理论基础。关键词：肉苁蓉属；肉苁蓉；盐生肉苁蓉；沙苁蓉；管花肉苁蓉；叶绿体基因组；密码子偏好性；最优密码子 中图分类号：R286.12 文献标志码：A 文章编号：0
4、253-2670(2023)05-1540-11 DOI:10.7501/j.issn.0253-2670.2023.05.021 Codon use bias analysis of chloroplast genome of Cistanche FENG Zhan1,JIANG Yuan3,ZHENG Yan1,MIAO Yu-jing2,HUANG Lin-fang2,LUO Guang-ming1 1.School of Pharmacy,Jiangxi University of Chinese Medicine,Nanchang 330004,China 2.Institute o
5、f Medicinal Plant Development,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Beijing 100193,China 3.School of Pharmacy,Dali University,Dali 671000,China Abstract:Objective To clarify the codon usage bias and influencing factors of chloroplast genome in four medicinal plants of Cist
6、anche spp.Methods The codon usage bias parameters of Cistanche deserticola,C.salsa,C.sinensis and C.tubulosa were analyzed by CUSP,CodonW 1.4.2,SPSS and Microsoft Excel.Results The chloroplast genomes of four Cistanche species had similar codon usage patterns,with the third base of the codons all en
7、ding in A/T and tending to use the A/T bases more favorably.The ENC(effective number of codon)values of the four species were all above 35,indicating that the codon preference of the chloroplast genes in Cistanche spp.is weak.The results of neutrality plot,ENC-plot,PR2-bias plot and correspondence a
8、nalysis indicated that natural selection was the main factor influencing chloroplast genome codon usage bias in Cistanche spp.The RSCU(relative synonymous codon usage)values were used to identify four optimal codons shared by four species of Cistanche spp.Conclusion In this study,we analyzed the cod
9、on usage bias of chloroplast genomes of four species of Cistanche spp.and revealed the influencing factors affecting codon bias,which provided the corresponding theoretical basis for studying the systematic evolution,environmental adaptation and breed improvement of Cistanche spp.at molecular level.
10、收稿日期：2022-08-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目（82274045）；国家自然科学基金资助项目（82073960）；国家自然科学基金资助项目（U1812403-1）；国家外专局一带一路专项（T2017052）作者简介：冯 展，硕士研究生，主要从事药用资源研究。Tel:18280305532 E-mail:*通信作者：罗光明，博士生导师，教授，主要从事中药鉴定及中药资源研究。Tel:(0791)871189825 E-mail: 黄林芳，博士生导师，研究员，主要从事中药鉴定及中药资源研究。Tel:15801545922 E-mail: 中草药 中草药 2023 年年 3 月月
11、第第 54 卷卷 第第 5 期期 Chinese Traditional and Herbal Drugs 2023 March Vol.54 No.5 1541 Key words:Cistanche Hoffmanns.&Link;Cistanche deserticola Ma;Cistanche salsa(C.A.Mey.)G.Beck;Cistanche sinensis G.Beck;Cistanche mongolica Beck;chloroplast genome;codon usage bias;optimal codons 肉苁蓉属 Cistanche Hoffmann
12、s.&Link 是列当科（Orobanchaceae）的多年生寄生草本植物，主要分布于欧、亚洲，中国主要有 4 种肉苁蓉属植物，分布在内蒙古、宁夏、甘肃、青海以及新疆等地1。本属植物在中国药用植物中占有及其重要的地位，其中肉苁蓉 Cistanche deserticola Ma 的药用价值最高，因其主要生长在沙漠地区，素有“沙漠人参”的美誉。然而，肉苁蓉属药用植物面临着植物分类混乱2、市售品种混用3的困境。叶绿体是大多数绿色植物的光合作用场所，参与发育和次级代谢活动4，并协调细胞器和核基因组之间的基因表达5。叶绿体具有自主遗传的基因组，被广泛用于植物系统发育分析，物种鉴定和遗传多样性表达等研究
13、。近年来，随着叶绿体基因组高通量测序技术逐渐成熟，肉苁蓉属植物肉苁蓉、盐生肉苁蓉 C.salsa(C.A.Mey.)G.Beck、沙苁蓉C.sinensis G.Beck、管花肉苁蓉 C.tubulosa Wight等多种植物均已开展叶绿体测序研究，并对其系统发育和遗传多样性进行了分析2,6-7，但尚未发现有关肉苁蓉属植物绿体基因组密码子偏好性方面的研究报道。密码子（codon）又称遗传密码，是核酸与蛋白质联系的桥梁，是识别和传递生物遗传信息的重要载体，在生物遗传和变异中至关重要的一部分8。由于不同的物种其蛋白质翻译过程存在差异，在翻译过程中倾向于使用一种或几种特定的同义密码子，这种现象称为密
14、码子偏好性（codon usage bias，CUB）9，密码子偏好性在 mRNA 翻译、DNA 转录、蛋白的结构、表达、功能和共翻译折叠等细胞代谢过程中发挥着重要作用10。石岩硕等11通过分析 4 种人参属 Panax Linn.植物叶绿体基因组密码子偏好性，推断出同属植物间亲缘关系更近；宋芸等12证明可基于密码子偏好性对 ICE1 基因进行优化，使得其在低温胁迫下表达；李显煌等13发现密码子偏好性可反映出物种间的进化关系；张俊焱等14证明突变和自然选择共同影响獐牙菜Swertia bimaculate(Sieb.et Zucc.)Hook.f.et Thoms.ex C.B.Clark 叶
15、绿体基因组密码子偏好性，为獐牙菜引种驯化提供依据。因此，研究植物叶绿体基因组的密码子使用模式，可为提高基因表达载体构建效率、探讨物种进化关系、理解生物与环境适应的分子机制、改良植物品种等方面提供数据支持15。本研究基于高通量测序对肉苁蓉、盐生肉苁蓉、沙苁蓉、管花肉苁蓉四种肉苁蓉属植物的叶绿体基因组密码子的使用模式进行了分析，确定 4 种肉苁蓉属的叶绿体基因组密码子偏好性及其影响因素，为后续肉苁蓉属叶绿体基因组的基因表达检测、适应性及进化关系研究提供参考依据。1 材料 肉苁蓉、盐生肉苁蓉、沙苁蓉和管花肉苁蓉植株由不同地区采集（表 1），经北京协和医学院药用植物研究所黄林芳研究员鉴定为肉苁蓉属植物
16、肉苁蓉 C.deserticola Ma、盐生肉苁蓉 C.salsa(C.A.Mey.)G.Beck、沙苁蓉 C.sinensis G.Beck 和管花肉苁蓉 C.mongolica Beck 的全株植物，储存于北京协和医学院药用植物研究所植物标本室，凭证标本为 CMPB16201、CMPB16202、CMPB16203和 CMPB16204。叶绿体全基因组序列已上传至GenBank，收录号分别为 MN614127（肉苁蓉）、MN614128（盐生肉苁蓉）、MN614129（沙苁蓉）和 MN614130（管花肉苁蓉）。肉苁蓉、盐生肉苁蓉、沙苁蓉和管花肉苁蓉的叶绿体基因组大小分别为 109 495、111 710、111 500、75 375 bp，分别包括 60、61、60、53 个蛋白质编码基因序列（coding DNA sequence，CDS）。由于短序列无法准确地计算有效密码子数，剔除了长度小于 300 bp 的CDS16，又因为终止密码子 UAA、UGA 和 UAG不编码任何氨基酸，并且 UGG 和 AUG 分别是色氨酸和蛋氨酸的唯一密码子，这些密码子不存在偏好性17，故选择
