vihreän levän Oltmannsiellopsis viridiksen täydellinen kloroplasti-DNA-sekvenssi paljastaa omaleimaisen kvadriptiarkkitehtuurin kloroplastin genomissa varhaisten poikkeavien ulvofyyttien genomissa

yleiset ominaisuudet

Taulukko 1 vertaa oltmannsiellopsis cpdna: n yleispiirteet neljän klorofyytin cpdna: n kanssa täysin sekvensoituna tähän mennessä, TS. genomit Nephroselmis, Chlorella, Pseudendoklonium ja Chlamydomonas . Oltmannsiellopsis cpDNA: n yleinen A+T-pitoisuus on 59, 5%: lla samanlainen kuin Nefroselmis cpDNA: lla, mutta huomattavasti pienempi kuin kolmen aiemmin sekvensoidun UTC-genomin. Oltmannsiellopsis genomi kartoittaa pyöreänä molekyylinä 151 933 bp (Kuva 1) ja sisältää 105 geeniä. Kaksi 18 510 bp: n IR-sekvenssin kopiota, joista kukin koodaa kymmentä geeniä, erotetaan toisistaan epätasa-arvoisilla yhden kopion alueilla, joita nimitetään SC1: ksi ja SC2: ksi. Kuten muut UTC cpDNAs, Oltmannsiellopsis genomi on vähemmän tiheästi täynnä koodaus sekvenssejä kuin Mesostigma ja Nefroselmis cpDNAs; at 59.2%, sen tiheys koodaus sekvenssien on samanlainen kuin Chlorella ja Pseudendoclonium cpDNAs. Oltmannsiellopsis cpDNA: n intergeenisissä välilevyissä on SDR: t ja niiden keskimääräinen koko on 512 bp, mikä on verrattavissa Pseudendoklonium cpdna: n (600 bp) arvoon. Oltmannsiellopsis cpDNA: ssa tunnistettiin yhteensä viisi intronia, jotka kaikki kuuluvat ryhmä I: n sukuun.

geeni-ja intronipitoisuudet

Oltmannsiellopsis cpDNA: n geenipitoisuus on Chlorella-ja Chlamydomonas cpDNAs-geenien välillä (Taulukko 1). Vaikka Oltmannsiellopsis ja Pseudendoclonium cpDNAs koodaavat saman määrän geenejä, nämä genomit eroavat hieman geenirepertuaariltaan (Taulukko 2). Oltmannsiellopsis cpDNA on säilyttänyt kaikki kolme Pseudendoklonium cpdna: lta puuttuvaa chl-geeniä, mutta menettänyt ycf62: n, trnL: n(caa) ja trnR: n(ccg). Chlorella cpDNA: han verrattuna Oltmannsiellopsiksen, Pseudendokloniumin ja Klamydomonasin genomeista puuttuu viiden geenin joukko, eli casa, kysta ja kolme tRNA-geeniä (trnL(gag), trnS(gga) ja trnT(ggu)) (Taulukko 2). Kolmen geenin (ycf62, trnL(caa) ja trnR(ccg)) puuttuminen on yksikäsitteisesti yhteistä Oltmannsiellopsis-ja Klamydomonas cpDNAs-bakteereilla, kun taas pseudendoklonium-ja Chlamydomonas cpDNAs-bakteereilla ei ole spesifistä geenihäviötä. Sekä Oltmannsiellopsis että Pseudendoklonium cpdnat ovat säilyttäneet trnR (ccu) – geenin, joka puuttuu kaikista muista täysin sekvensoiduista klorofyyttisistä cpdnoista.

kuten aiemmin tutkituissa UTC-kloroplastigenomeissa, Oltmannsiellopsis cpDNA: n useiden geenien koodausalueet laajenevat suhteessa niiden Mesostigma-vastineisiin (Taulukko 3). Suurin osa Oltmannsiellopsiksen geenien laajentumisista on kuitenkin vähäisempiä kuin Pseudendokloniumilla; vain cemA näyttää pidemmän koodaussekvenssin kuin Pseudendokloniumhomologue.

Oltmannsiellopsis cpDNA: sta löytämämme viisi ryhmän I intronia poikkeaa jyrkästi Pseudendoklonium cpdna: sta löytyneistä 27 ryhmän I intronista (Taulukko 1). Intronien vähäisempi runsaus Oltmannsiellopsis cpDNA: ssa selittää lähinnä tämän genomin pienemmän koon suhteessa Pseudendoklonium cpdna: han. Oltmannsiellopsis-intronit keskeyttävät kolme IR: ssä esiintyvää geeniä (Petb, psbA ja rrl) (Taulukko 4). PetB-ja psbA-geenit sisältävät kummassakin yhden intronin, kun taas RRL: ssä on kolme intronia. Kaikki viisi intronia, lukuun ottamatta petB-intronia, ovat positionaalisesti ja rakenteellisesti homologisia verrattuna aiemmin ilmoitettuihin introneihin vihreässä kasvissa cpDNAs (Taulukko 5). Oltmannsiellopsis psbA-intronin homologeja esiintyy Pseudendokloniumissa ja Klamydomonasissa, kun taas kolmen rrl-intronin homologeja esiintyy laajemmassa kirjossa viherkasveja. Ottaen huomioon, että nämä homologiset intronit on tunnistettu UTC-suvuissa, ne ovat voineet periytyä vertikaalisesti UTC-levien viimeisestä yhteisestä esi-isästä; kuitenkin havainto, että ne mahdollisesti koodaavat laglidadg-tai GIY-YIG-sukujen endonukleaaseja (Taulukko 4), ei salli meidän sulkea pois mahdollisuutta, että ne on hankittu horisontaalisella siirrolla. Vaikka suurimmalla osalla Pseudendoklonium cpDNA: n 16 ryhmän I introneista ei ole homologeja samanlaisissa kognaattipaikoissa muissa kloroplastigenomeissa, niiden läheiset rakenteelliset ja sekvenssiset yhtäläisyydet sekä niiden puuttuminen Oltmannsiellopsis cpdna: sta viittaavat siihen, että ne syntyivät Pseudendokloniumiin johtavasta introgenomisesta sukuhaarassa . Huomaa, että Oltmannsiellopsis petB: n intronijakson Blastihauissa Genbankin tietokantaan ei löytynyt homologista intronia muista organismeista.

genomin rakenne ja geenin jakaantuminen

Oltmannsiellopsis cpDNA: n yksittäiskappalealueilla geenin jakaantumisen malli eroaa huomattavasti Mesostigman, Nefroselmiksen ja streptofyyttikondensaattorin (cpdnas) esivanhempien jakaantumistavasta (Kuva 1). Suurin osa Oltmannsiellopsiksen SC1-alueelta löydetyistä 30 geenistä löytyy tyypillisesti esivanhempien LSC-alueelta, kun taas SC2-alue sisältää 52 esivanhempien LSC-alueelle tyypillistä geeniä kymmenen esivanhempien SSC-alueelle tyypillisen geenien lisäksi. Mielenkiintoista on, että SC2 sisältää 12 niistä 14 LSC-geenistä, jotka on siirretty SSC-alueelle Pseudendoklonium cpDNA: ssa. Kaksi poikkeuksellista Pseudendoklonium-geeniä, joilla ei ole homologeja Oltmannsiellopsis SC2: ssa, ovat trnH (gug) ja trnL (caa); Trnh(gug) – geeni asuu Oltmannsiellopsiksen SC1-alueella, kun taas Trnl (caa) on kadonnut Oltmannsiellopsis cpDNA: sta. Kun otetaan huomioon Oltmannsiellopsis-alueiden geenisisältö, vaikuttaa sopimattomalta merkitä nämä alueet niiden koon mukaan. Vaikka SC1 on pienempi kuin SC2, se todennäköisesti vastaa esivanhempien LSC-aluetta, ja SC2 on ilmeisesti peräisin esivanhempien SSC-alueelta.

OLTMANNSIELLOPSIS cpDNA: n IR-sekvenssi on noin 12 kb suurempi kuin Pseudendoklonium cpDNA: n ja sisältää viisi geeniä rRNA-operonissa esiintyvien geenien lisäksi (kuva 1). Oltmannsiellopsiksen IR-sekvenssi on 18 510 bp: ssä kooltaan samaa luokkaa kuin Klamydomonasin (Taulukko 1). Oltmannsiellopsis cpDNA: n molemmat ir-liitokset kattavat geenit (cemA ja ftsH), joiden koodaussarjat laajenevat yksittäiskopioalueille. Kuten Pseudendoklonium IR: ssä, Oltmannsiellopsis rRNA-geenit transkriboidaan kohti yksittäiskopioaluetta, joka kuljettaa LSC: hen karttautuvat geenit prasinofyytissä ja streptofyyttikipdnoissa. Sen sijaan rRNA-operoni transkriboidaan kohti SSC-aluetta Nefroselmis-ja streptofyytti cpDNAs-bakteereissa. RRNA-operonin suuntaa ei voida määrittää Chlamydomonas cpDNA: ssa laajasti salatun irtonumeroalueen vuoksi, ja tämä suunta on edelleen tuntematon Chlorella cpDNA: ssa IR-tappion vuoksi.

kun otetaan huomioon, että Oltmannsiellopsis ja Pseudendoclonium edustavat ulvophyceae-heimon erillisiä, varhaisia eriytyviä sukuhaaroja, Oltmannsiellopsiksen ja Pseudendoclonium cpDNAs: n kvadripartiittiarkkitehtuurien silmiinpistävät yhtäläisyydet viittaavat siihen, että sekä epätyypillinen geenin jakautumiskuvio että IR: n epätavallinen suuntautuminen olivat tyypillisiä varhaisimpien eriytyvien ulvofyyttien kloroplastin genomille. Tietomme ennustavat, että OLTMANNSIELLOPSIKSEN ja Pseudendoclonium cpDNAs: n viimeisen yhteisen esi-isän SSC-alueella oli 12 niistä geeneistä, joita yleensä esiintyy LSC-alueella Nefroselmis-ja streptofyytti cpdnas-bakteereissa, kun taas LSC-alue sisälsi yksinomaan esivanhempien LSC-alueelle tyypillisiä geenejä. Näin ollen Pseudendokloniumiin johtaneessa sukuhaarassa SSC-alueelle siirtyi kaksi ylimääräistä geeniä, kun taas Oltmannsiellopsis-sukuhaarassa 40 ylimääräistä geeniä siirtyi tälle alueelle. Vaikka näiden geenimigraatioiden taustalla olevia mekanismeja yksittäiskopioalueiden välillä ei tunneta, niihin liittyi todennäköisesti intramolekulaarisia tai intermolekulaarisia rekombinaatiotapahtumia. Alla raportoitu säilyneiden geeniklusterien analyysi osoittaa selvästi, että näiden vaellusten aikana useita geenejä siirtyi yhteen.

geenejä on sekoittunut laajemmin Klamydomonas cpDNA-bakteerin kahden yhden kopion alueen välillä (Kuva 1). Voidaan kuvitella, että ulvofyyttien ja klorofysian viherlevien evoluution aikana geenien jakaantumisen esi-isät häiriintyivät peräkkäisissä vaiheissa, jolloin Pseudendokloniumin kaltainen organisaatio kehittyi Oltmannsiellopsiksen kaltaiseksi organisaatioksi, mikä johti lopulta Klamydomonoissa Havaittujen geenien laajaan sekoittumiseen. Koska IR puuttuu Chlorella genomi, on hyvin vaikea varmistaa, onko transkriptio suuntaan rRNA operoni muuttunut ja onko geenit siirretty yhdeltä genomialueelta toiselle aikana evoluution trebouxiofyytit. IR: n häviäminen liittyy yleensä moniin geenien uudelleenjärjestelyihin ; Chlorella cpDNA: n tapauksessa kaikki yleensä esivanhempien SSC-alueella esiintyvät geenit ovat kuitenkin pysyneet ryhmittyneinä lukuun ottamatta kolmea geeniä (psaC, ycf20 ja trnL(uag)) (Kuva 1). Tutkimukset IR-sisältävät kloroplastigenomit eri trebouxiofyte lineages on tarpeen testata, onko joitakin geenin uudelleensijoittamista tunnistettu täällä sekä Oltmannsiellopsis ja Pseudendoclonium cpDNAs peräisin yhteinen esi UTC levät.

Geeniklusterointi

Oltmannsiellopsis cpDNA: n yleinen geeniorganisaatio poikkeaa huomattavasti sen Pseudendoclonium homologue-geenistä ja muistuttaa yllättäen enemmän Chlorella cpDNA: n geeniorganisaatiota (kuva 2). Oltmannsiellopsis ja Chlorella cpDNAs jakavat 21 lohkoa kolineaarisia sekvenssejä, jotka sisältävät yhteensä 65 geeniä, kun taas Oltmannsiellopsis ja Pseudendoclonium cpDNAs ovat yhteisiä 18 lohkoa, jotka sisältävät 55 geeniä. Oltmannsiellopsis-ja Klamydomonas-genomeissa säilyy vain kahdeksan lohkoa, joissa on 19 geeniä.

monet Mesostigman ja Nefroselmis cpDNAs: n yhteisistä 24: stä geeniklusterista ovat häiriintyneet UTC-viherlevien evoluution aikana. Tässä tutkimuksessa olemme analysoineet 19 esi-isien klusteria; viittä jäljellä olevaa ei voitu tutkia, koska niiden sisältämät geenit ovat kadonneet UTC cpDNAs: stä (kuva 3). Kaikki 19 rykelmää ovat rikkoutuneet ainakin kerran UTC-levän evoluution aikana. Chlorella cpDNA: lla on vain 12 taukopistettä, ja se näyttää esivanhempien klustereiden vahvimman säilymisen. Oltmannsiellopsis cpDNA: lla on 20 raja-arvoa, ja sen mediaani on klorellan ja Pseudendoklonium (24 raja-arvoa) Cpdnas: n välillä, kun taas Klamydomonas cpDNA paljastaa kaksi kertaa niin monta raja-arvoa (42 raja-arvoa). Klamydomonasilla, Oltmannsiellopsiksella ja Pseudendokloniumgenomeilla on viisi yhteistä raja-arvoa, jotka puuttuvat Chlorella cpDNA: sta. Näiden raja-arvojen lisäksi Pseudendocloniumilla ja Chlamydomonas cpdnasilla on kuusi raja-arvoa, jotka puuttuvat Oltmannsiellopsiksesta ja Chlorella cpdnasista. Oltmannsiellopsis – ja Chlamydomonas-genomeille ei ole katkeamispistettä.

kahdessa esi-isäryhmässä on ulvophyceae-heimolle ominaisia murtumia. Oltmannsiellopsis cpDNA: ssa psbb-psbT-psbN-psbH-klusteri pirstaloitui psbN: N 5′ päässä, jolloin syntyi kaksi erillistä kappaletta, joista kumpikin koodasi geeniparia. Pseudendoklonium-sukujuurissa psbn: n vastakkaisella puolella olevan ylimääräisen katkeamispisteen käyttöönotto johti tämän geenin siirtymiseen psbB: tä, psbT: tä ja psbH: ta koodaavaan DNA-juosteeseen muuttamatta geenijärjestystä. Oltmannsiellopsis-sukuhaarassa esi-isien rRNA-operonissa tapahtui kolme murtopistettä, joilla syntyi uusi transkriptioyksikkö, jossa Trna(ugc) – ja trni(gau) – geenien järjestys on kääntynyt. Uudelleen järjestettyjä rRNA-operoneja on raportoitu trebouxiophyte Chlorella ellipsoidean ja ulvophyte Codium fragile; kuitenkin näissä tapauksissa esi-rRNA-operoni oli jaettu erillisiin fragmenteihin, jotka on litteroitu eri promoottoreista.

johdettujen geeniklustereiden osalta Oltmannsiellopsis cpDNA muistuttaa eniten Chlorella cpDNA: ta (Kuva 4). Johdettu klusiili määritellään tässä ryhmäksi geenejä, joilla on sama suhteellinen polariteetti kahdessa tai useammassa UTC-genomissa, mutta ei mesostigma-ja Nefroselmis cpDNAs-geeneissä. Oltmannsiellopsis cpDNA jakaa Chlorella homologuen kanssa viisi johdettua klusteria, kun taas Pseudendoclonium cpDNA jakaa kolme klusteria, joista yksi puuttuu Oltmannsiellopsikselta. Oltmannsiellopsis-ja Pseudendoclonium cpDNAs-bakteereille yhteisistä neljästä johdannaisryppäästä yhtään ei esiinny Klamydomonas cpDNA-bakteerissa.

arvioimme, että Oltmannsiellopsis cpDNA: n geeniorganisaation muuttamiseen tarvittaisiin vähintään 50 inversiota minkä tahansa muun klorofyyttigeenin genomin muuntamiseksi (Taulukko 6). Maakasveista ja niihin läheisesti liittyvistä klamydomonadeista saatujen cpdnojen vertailevat analyysit viittaavat siihen, että inversiot ovat viherkasveissa vallitseva kloroplastin genomin uudelleenjärjestelyjen mekanismi. Inversiot eivät kuitenkaan välttämättä ole ainoita mutaatioita, jotka aiheuttavat chlorophytes cpDNAs-geenien järjestysmuutoksia, sillä transpositioiden on ehdotettu selittävän osan CAMPANULACEAE-kasveilla ja cpdnas-alalajeilla havaituista uudelleenjärjestelyistä.

toistuvia alkuaineita

Oltmannsiellopsis cpDNA: ssa on suuri määrä SDR-alkuaineita (kuva 5). Vaikka nämä elementit asuvat pääasiassa intergeenisten välilevyjen ja intronien sisällä, muutama kappale kansoittaa CEMA: n, chlB: n, chlL: n, chlN: n, ftsH: n, rpoB: n, rpoC1: n ja rpoC2: n koodausalueet. Runsaimmat alkuaineet voidaan luokitella viiteen ryhmään, joissa ei ole päällekkäisiä toistoyksiköitä (A: sta E: hen) niiden primaarisekvenssien perusteella (Taulukko 7). Niiden koot vaihtelevat 7-21 bp ja niiden kopioluvut vaihtelevat 17: stä yli 250: een. Toistoyksikön A tai B sekvenssi liitetään useimmiten saman sekvenssin käänteiskomplementtiin, jolloin muodostuu täydellisiä palindromeja tai putatiivisia runkosilmukkarakenteita, joissa on kahden A: n tai kahden T: n silmukka (kuva 6). Joissakin tapauksissa varren silmukkarakenteiden palindromeja tai varren osia pidennetään lisäämällä niihin harvinaisempia toistoja. Lisäksi muutamat toistoyksiköiden A ja B kopiot esiintyvät yksittäisinä sekvensseinä, jotka edustavat todennäköisesti degeneroituneita versioita yleisemmistä asetelmista, joissa on palindromeja tai runkosilmukkarakenteita. Toistolaite C voi muodostaa runkosilmukkarakenteita, joiden silmukassa on vaihteleva koko. Vaikka toistoyksiköt D ja E eivät liity runkosilmukkarakenteisiin, ne sijaitsevat muiden toistuvien elementtien läheisyydessä.

Oltmannsiellopsis cpDNA: n Erityisnosto-oikeudet eivät muistuta läheisesti muiden UTC cpdna: iden Erityisnosto-oikeuksia. Oltmannsiellopsis-toistot ovat puolueellisia G+C: ssä, kun taas Chlorella-toistot osoittavat vinoumaa A+T: ssä. Pseudendoklonium ja Chlamydomonas SDRs ovat myös runsaasti G+C, mutta niiden sekvensseillä ei ole selviä yhtäläisyyksiä Oltmannsiellopsis toistaa. Tämä erillisistä UTC-genomeista johdettujen Erityisnosto-oikeuksien sekvenssien yhtäläisyyksien puuttuminen viittaa siihen, että Erityisnosto-oikeudet on hankittu itsenäisesti UTC-sukulinjoissa. Vaihtoehtoista hypoteesia siitä, että SDR: t välittyivät vertikaalisesti, ei kuitenkaan voida sulkea pois, jos oletamme, että nämä tekijät kehittyvät hyvin nopeasti. Tutkimukset cpDNAs läheistä sukua UTC taksa tarvitaan erottamaan nämä kaksi hypoteesia.

Erityisnosto-oikeudet ovat mitä todennäköisimmin olleet merkittävässä roolissa kloroplastin genomin uudismuodostuksessa UTC-sukulinjoissa. Aiemmin on havaittu korrelaatio SDR: ien runsauden ja geenien uudelleenjärjestelyjen laajuuden välillä UTC-levien genomeissa . Tämä korrelaatio pätee edelleen Oltmannsiellopsis chloroplastin genomisekvenssin lisäämiseen. Oltmannsiellopsis cpDNA: n SDR-elementtien runsaus on verrattavissa Pseudendoklonium cpdna: ssa havaittuun määrään (Kuva 7), ja geenit on järjestetty uudelleen samassa määrin molemmissa genomeissa (Taulukko 6). Erityisnosto-oikeudet viherkasvien cpDNAs-järjestelmässä voivat toimia kriisipesäkkeinä ei-homologisille rekombinaatiotapahtumille ja johtaa inversioihin ja transpositioihin .