De volledige chloroplast DNA-volgorde van de groene alg Oltmannsiellopsis viridis blijkt een onderscheidende viervoudige architectuur in de chloroplast genoom van de vroege uiteenlopende ulvophytes

Algemene kenmerken

Tabel 1 vergelijkt de algemene kenmerken van Oltmannsiellopsis cpDNA met die van de vier chlorophyte cpDNAs volledig gesequenced zo ver, d.w.z. de de genomen van Nephroselmis, Chlorella, Pseudendoclonium en Chlamydomonas . Bij 59,5% is het totale A+T-gehalte van Oltmannsiellopsis cpDNA gelijk aan dat van nephroselmis cpDNA, maar is aanzienlijk lager dan die van de drie eerder gesequenced UTC-genomen. De oltmannsiellopsis genoom kaarten als een cirkelmolecuul van 151.933 bp (figuur 1) en bevat 105 genen. Twee exemplaren van een IR-sequentie van 18.510 bp, die elk tien genen coderen, worden van elkaar gescheiden door ongelijke één exemplaar gebieden, aangeduid SC1 en SC2. Net als andere UTC cpDNAs, is het Oltmannsiellopsis genoom minder dicht verpakt met codeeropeenvolgingen dan Mesostigma en nephroselmis cpDNAs; bij 59,2%, is de dichtheid van codeeropeenvolgingen gelijkaardig aan die van Chlorella en Pseudendoclonium cpDNAs. Intergenic spacers in Oltmannsiellopsis cpDNA hebben SDR ‘ s en hebben een gemiddelde grootte van 512 bp, een waarde vergelijkbaar met die waargenomen voor Pseudendoclonium cpDNA (600 bp). Een totaal van vijf introns, die allemaal behoren tot de groep I familie, werden geïdentificeerd in Oltmannsiellopsis cpDNA.

gen-en intron-gehalte

het gengehalte van Oltmannsiellopsis cpDNA ligt tussen die van Chlorella en Chlamydomonas cpDNAs (Tabel 1). Hoewel Oltmannsiellopsis en Pseudendoclonium cpDNAs hetzelfde aantal genen coderen, verschillen deze genomen enigszins in hun genrepertoire (Tabel 2). Oltmannsiellopsis cpDNA heeft alle drie chl-genen behouden die ontbreken in Pseudendoclonium cpDNA, maar heeft ycf62, trnL(caa) en trnR(ccg) verloren. Ten opzichte van Chlorella cpDNA missen de genomen van Oltmannsiellosis, Pseudendoclonium en Chlamydomonas een set van vijf genen, d.w.z. cysA, cyste en drie tRNA-genen (trnL(gag), trnS(gga) en trnT(ggu)) (Tabel 2). De afwezigheid van drie genen (ycf62, trnL(caa) en trnR(ccg)) wordt uniek gedeeld door Oltmannsiellosis en Chlamydomonas cpDNAs, terwijl er geen specifiek genverlies wordt gedeeld door Pseudendoclonium en Chlamydomonas cpDNAs. Zowel Oltmannsiellopsis als Pseudendoclonium cpDNAs hebben het trnR(ccu) gen behouden, dat uit alle andere volledig gesequenced chlorofyte cpDNAs afwezig is.

zoals in de UTC chloroplast genomen eerder onderzocht, worden de codeergebieden van verschillende genen in Oltmannsiellopsis cpDNA uitgebreid ten opzichte van hun mesostigma tegenhangers (Tabel 3). De meeste genuitbreidingen in Oltmannsiellopsis zijn echter minder uitgebreid dan die in Pseudendoclonium; alleen cemA vertoont een langere coderingsvolgorde dan zijn Pseudendoclonium-homoloog.

onze bevinding van vijf groep I introns in Oltmannsiellopsis cpDNA contrasteert scherp met de 27 groep I introns gevonden in Pseudendoclonium cpDNA (Tabel 1). De lagere overvloed van introns in Oltmannsiellopsis cpDNA is hoofdzakelijk verantwoordelijk voor de kleinere grootte van dit genoom met betrekking tot Pseudendoclonium cpDNA. De oltmannsiellopsis introns onderbreken drie genen (petB, psbA, en rrl) gevonden in de IR (Tabel 4). De genen petB en psbA bevatten elk één intron, terwijl drie introns aanwezig zijn in rrl. Alle vijf introns, met uitzondering van de petB intron, zijn positioneel en structureel homoloog aan eerder gerapporteerde introns in groene planten cpDNAs (Tabel 5). Terwijl homologen van de Oltmannsiellopsis psba intron aanwezig zijn in Pseudendoclonium en Chlamydomonas, worden homologen van de drie RRL introns gevonden in een grotere diversiteit aan groene planten. Gezien het feit dat deze homologe introns zijn geà dentificeerd in UTC-lijnen, kunnen ze zijn geërfd door verticale overerving van de laatste gemeenschappelijke voorouder van UTC algen; echter, de bevinding dat ze potentieel coderen voor homing endonucleases van de LAGLIDADG of GIY-YIG families (Tabel 4) laat ons niet toe om de mogelijkheid uit te sluiten dat ze werden verworven door horizontale overdracht. Hoewel de meeste van de 16 groep I introns in Pseudendoclonium cpDNA geen homologen op identieke verwante plaatsen in andere genomen van chloroplast hebben, suggereren hun nauwe structurele en opeenvolgings gelijkenissen samen met hun afwezigheid van Oltmannsiellopsis cpDNA dat zij uit intragenomic proliferatie in de lijn ontstonden die tot Pseudendoclonium leiden . Merk op dat Blast zoekopdrachten van de oltmannsiellopsis petB intron sequentie tegen de GenBank database geen homologe intron in andere organismen konden detecteren.

Genoom structuur en gene partitioneren

Het patroon van gen partitioneren binnen enkele kopie regio ‘ s van Oltmannsiellopsis cpDNA aanzienlijk afwijkt van de voorouderlijke partitioneren waargenomen patroon voor Mesostigma, Nephroselmis en streptophyte cpDNAs (Figuur 1). De grote meerderheid van de 30 genen gevonden in het SC1 gebied van Oltmannsiellopsis worden typisch gevonden in het voorouderlijke LSC gebied, terwijl het SC2 gebied 52 genen kenmerkend van het voorouderlijke LSC gebied naast tien genen kenmerkend van het voorouderlijke SSC gebied bevat. Interessant, omvat SC2 12 van de 14 genen LSC die op het gebied van SSC in Pseudendoclonium cpDNA zijn overgebracht. De twee uitzonderlijke Pseudendoclonium genen die geen homologen hebben in Oltmannsiellopsis SC2 zijn trnH (gug) en trnL (caa); het trnH(gug) gen bevindt zich in de SC1 regio van Oltmannsiellopsis, terwijl trnL(caa) verloren is gegaan van Oltmannsiellopsis cpDNA. Gezien de geninhoud van de oltmannsiellopsis single copy regio ‘s, lijkt het ongepast om deze regio’ s te etiketteren op basis van hun grootte. Hoewel SC1 kleiner is dan SC2, komt het waarschijnlijk overeen met het voorouderlijke LSC-gebied, en SC2 wordt blijkbaar afgeleid uit het voorouderlijke SSC-gebied.

de IR-sequentie in Oltmannsiellopsis cpDNA is ongeveer 12 kb groter dan die in Pseudendoclonium cpDNA en bevat vijf genen naast die in het rRNA-operon (figuur 1). Bij 18.510 bp is de IR-sequentie van Oltmannsiellopsis in grootte vergelijkbaar met die van Chlamydomonas (Tabel 1). Beide verbindingen van IRL in Oltmannsiellopsis cpDNA omvatten genen (cemA en ftsH) waarvan de codageopvolgingen in de enige exemplaargebieden uitbreiden. Net als in de Pseudendoclonium IR, worden de Oltmannsiellopsis rRNA genen getranscribeerd naar het enige kopieergebied dat de genen draagt die aan LSC in prasinophyte en streptophyte cpDNAs in kaart brengen. In tegenstelling, wordt het rRNA-operon getranscribeerd naar het SSC-gebied in Nephroselmis en streptofyte cpDNAs. De oriëntatie van de rRNA operon kan niet worden vastgesteld in Chlamydomonas cpDNA als gevolg van de uitgebreid versleutelde enkele kopie regio ‘ s, en deze oriëntatie blijft onbekend in Chlorella cpDNA vanwege het verlies van IR.

Gezien het feit dat Oltmannsiellopsis en Pseudendoclonium vertegenwoordigen verschillende, begin van de divergerende lijnen van de Ulvophyceae, de opvallende gelijkenissen tussen de viervoudige architecturen van Oltmannsiellopsis en Pseudendoclonium cpDNAs suggereren dat zowel het afwijkende gen partitioneren patroon en ongewone oriëntatie van de IR-karakteristiek van de chloroplast genoom van de vroegst uitlopende ulvophytes. Onze gegevens voorspellen dat het SSC-gebied van de laatste gemeenschappelijke voorouder van Oltmannsiellosis en Pseudendoclonium cpDNAs gekenmerkt 12 van de genen gewoonlijk gevonden in het LSC-gebied in Nephroselmis en streptophyte cpDNAs, terwijl het LSC-gebied uitsluitend genen kenmerkende van het voorouderlijke LSC-gebied bevatte. Bijgevolg, in de lijn die tot Pseudendoclonium leiden, werden twee extra genen overgebracht naar het SSC-gebied, terwijl 40 extra genen naar dit gebied in de oltmannsiellopsis-lijn migreerden. Hoewel de mechanismen die ten grondslag liggen aan deze genmigratie tussen enkele kopieergebieden onbekend blijven, waren er waarschijnlijk intramoleculaire of intermoleculaire recombinatiegebeurtenissen bij betrokken. De analyse van bewaarde genclusters die hieronder worden gerapporteerd geeft duidelijk aan dat verscheidene genen samen in de loop van deze migraties werden overgebracht.

genen zijn in Chlamydomonas cpDNA uitgebreider geschud tussen de twee regio ‘ s met een enkele kopie (figuur 1). Men kan zich voorstellen dat tijdens de evolutie van ulvofyten en chlorofycean Groene Algen, het voorouderlijke patroon van genpartitionering werd verstoord in opeenvolgende stappen, met een Pseudendoclonium-achtige organisatie evolueerde in een oltmannsiellopsis-achtige organisatie, die uiteindelijk leidde tot de uitgebreide scrambling van genen waargenomen in Chlamydomonas. Gezien de afwezigheid van de IR uit het Chlorella genoom, is het zeer moeilijk om na te gaan of de transcriptie richting van de rRNA operon veranderd en of genen werden verplaatst van een genomische Regio naar een andere tijdens de evolutie van trebouxiophytes. Verlies van de IR wordt meestal geassocieerd met vele gen herschikkingen; in het geval van Chlorella cpDNA, echter, alle genen meestal gevonden in de voorouderlijke SSC regio zijn geclusterd gebleven, met uitzondering van drie genen (psaC, ycf20 en trnL(uag)) (figuur 1). Onderzoeken van IR-bevattende chloroplast genomen uit verschillende trebouxiophyten lijnen zal nodig zijn om te testen of sommige van de Gen verhuizingen hier geïdentificeerd in zowel Oltmannsiellosis en Pseudendoclonium cpDNAs afkomstig zijn van de gemeenschappelijke voorouder van UTC algen.

Genclustering

de totale genorganisatie van Oltmannsiellopsis cpDNA wijkt sterk af van die van zijn Pseudendoclonium-homoloog en lijkt verrassend genoeg meer op die van Chlorella cpDNA (Figuur 2). Oltmannsiellopsis en Chlorella cpDNAs delen 21 blokken colineaire opeenvolgingen die een totaal van 65 genen bevatten, terwijl Oltmannsiellopsis en Pseudendoclonium cpDNAs gemeenschappelijke 18 blokken met 55 genen hebben. In de genomen van Oltmannsiellosis en Chlamydomonas worden slechts acht blokken met 19 genen bewaard.

veel van de 24 voorouderlijke genclusters gedeeld door Mesostigma en nephroselmis cpDNAs zijn verstoord tijdens de evolutie van de UTC groene algen. In deze studie hebben we 19 voorouderlijke clusters geanalyseerd; de vijf overgebleven genen konden niet worden onderzocht omdat de genen die ze bevatten verloren zijn gegaan van UTC cpDNAs (Figuur 3). Alle 19 clusters zijn ten minste in één keer gebroken tijdens de evolutie van de UTC algen. Met slechts 12 breekpunten, Chlorella cpDNA toont de sterkste behoud van voorouderlijke clusters. Met 20 breekpunten bezet Oltmannsiellopsis cpDNA een mediane positie tussen Chlorella en Pseudendoclonium (24 breekpunten) cpDNAs, terwijl Chlamydomonas cpDNA twee keer zoveel breekpunten (42 breekpunten) onthult. De Chlamydomonas, Oltmannsiellopsis en Pseudendoclonium genomen delen vijf breekpunten die ontbreken in Chlorella cpDNA. Afgezien van deze breekpunten, Pseudendoclonium en Chlamydomonas cpDNAs delen zes breekpunten die afwezig zijn van Oltmannsiellopsis en Chlorella cpDNAs. Er is geen breekpunt exclusief voor de oltmannsiellopsis en Chlamydomonas genomen.

twee voorouderlijke clusters vertonen breekpunten die uniek zijn voor de Ulvophyceae. De bijna universeel geconserveerde psbb-psbT-psbN-psbH cluster was gefragmenteerd aan het 5′ einde van psbN, waardoor twee afzonderlijke stukken werden gecreëerd, elk coderend voor een paar genen, in Oltmannsiellopsis cpDNA. In de Pseudendoclonium-lijn leidde de introductie van een extra breekpunt aan de andere kant van psbN tot de verplaatsing van dit gen op de DNA-streng die codeert voor psbB, psbT en psbH, zonder enige verandering in de genorde. In de oltmannsiellopsis lijn kwamen drie breekpunten voor in het voorouderlijke rRNA operon om een nieuwe transcriptie eenheid te genereren waarin de volgorde van de trnA(ugc) en trnI(gau) genen is omgekeerd. Herschikt rRNA operons zijn gemeld voor de cpDNAs van de trebouxiophyte Chlorella ellipsoidea en de ulvophyte Codium fragiele ; echter, in deze gevallen, het voorouderlijke rRNA operon werd opgesplitst in afzonderlijke fragmenten die worden getranscribeerd van verschillende promotors.

in termen van afgeleide genclusters lijkt Oltmannsiellopsis cpDNA het meest op Chlorella cpDNA (Figuur 4). Een afgeleide cluster wordt hier gedefinieerd als een groep genen met dezelfde relatieve polariteiten in twee of meer UTC genomen, maar afwezig in Mesostigma en nephroselmis cpDNAs. Oltmannsiellopsis cpDNA deelt vijf afgeleide clusters met zijn Chlorella homologue, terwijl Pseudendoclonium cpDNA drie clusters deelt, waarvan er één ontbreekt in Oltmannsiellopsis. Van de vier afgeleide clusters gemeenschappelijk aan Oltmannsiellopsis en Pseudendoclonium cpDNAs, wordt geen Gevonden in Chlamydomonas cpDNA.

we schatten dat een minimum van 50 inversies nodig zou zijn om de genorganisatie van Oltmannsiellopsis cpDNA om te zetten in die van een ander chlorofytengenoom (Tabel 6). Vergelijkende analyses van cpDNAs van landplanten en van nauw verwante chlamydomonaden suggereren dat inversies het overheersende mechanisme van herschikkingen van het chloroplast-genoom in groene planten vertegenwoordigen. Nochtans, zouden de inversies niet de enige mutationele gebeurtenissen kunnen zijn die veranderingen van de genorde in chlorofyten cpDNAs veroorzaken, aangezien transposities zijn voorgesteld om voor sommige van de herschikkingen te verklaren die in Campanulaceae en in subclover cpDNAs worden waargenomen.

herhaalde elementen

een groot aantal SDR-elementen wordt gevonden in Oltmannsiellopsis cpDNA (Figuur 5). Hoewel deze elementen overwegend binnen intergenic spacers en introns verblijven, bevolken een paar exemplaren de coderingsgebieden van cemA, chlB, chlL, chlN, ftsH, rpoB, rpoC1 en rpoC2. De meest voorkomende elementen kunnen worden ingedeeld in vijf groepen van niet-overlappende herhaaleenheden (A tot en met E) op basis van hun primaire sequenties (Tabel 7). Hun grootte varieert van 7-21 bp en hun aantal kopieën variëren van 17 tot meer dan 250. De opeenvolging van herhaaleenheid A of B wordt het vaakst gekoppeld aan het omgekeerde complement van dezelfde opeenvolging, waardoor perfecte palindromes of veronderstelde stem-lusstructuren met een lus van twee A of twee T worden gevormd (Figuur 6). In sommige gevallen, worden de palindromes of stamdelen van de stengel-lijnstructuren uitgebreid door de toevoeging van minder frequente herhalingen. Verder komen een paar kopieën van herhaaleenheden A en B voor als solitaire sequenties, die waarschijnlijk gedegenereerde versies vertegenwoordigen van de meer voorkomende arrangementen met palindromen of stam-lusstructuren. Herhaal eenheid C kan stem-lijnstructuren vormen, met een lijn van variabele grootte. Hoewel de herhaaleenheden D en E niet met stem-lusstructuren worden geassocieerd, verblijven zij in de nabijheid van andere herhaalde elementen.

de SDR ‘ s in Oltmannsiellopsis cpDNA lijken niet veel op die aanwezig zijn in andere UTC cpDNAs. De oltmannsiellopsis herhalingen zijn bevooroordeeld in G + C, terwijl de Chlorella herhalingen een vooroordeel tonen in a + T. De Pseudendoclonium en Chlamydomonas SDRs zijn ook rijk aan G + C, maar hun sequenties hebben geen duidelijke overeenkomsten met de oltmannsiellopsis herhalingen. Dit gebrek aan opeenvolgings gelijkenissen tussen SDR ’s die uit verschillende genomen van UTC worden afgeleid suggereert dat SDR’ s onafhankelijk in UTC-lijnen zijn verworven. De alternatieve hypothese dat SDR ‘ s verticaal werden doorgegeven kan echter niet worden uitgesloten als we aannemen dat deze elementen in een zeer snel tempo evolueren. Studies van cpDNAs van nauw verwante UTC taxa zal nodig zijn om onderscheid te maken tussen deze twee hypothesen.

SDR ‘ s hebben hoogstwaarschijnlijk een belangrijke rol gespeeld bij het remodelleren van het chloroplast genoom in UTC-lijnen. Een correlatie is eerder waargenomen tussen de abundantie van SDR ‘ s en de omvang van Gen herschikkingen in UTC algen genomen . Deze correlatie geldt nog steeds met de toevoeging van Oltmannsiellopsis chloroplast genoomsequentie. De overvloed aan SDR-elementen in Oltmannsiellopsis cpDNA is vergelijkbaar met die waargenomen in Pseudendoclonium cpDNA (Figuur 7) en genen zijn in dezelfde mate herschikt in beide genomen (Tabel 6). SDR ‘ s in groene plant cpDNAs kunnen dienen als hot spots voor niethomologe recombinationele gebeurtenissen en leiden tot inversies en transposities .