completo di sequenze di DNA sequenza di alga verde Oltmannsiellopsis viridis rivela un distintivo quadripartito architettura del genoma del cloroplasto di inizio divergenti ulvophytes

caratteristiche Generali

Tabella 1 confronta le caratteristiche generali di Oltmannsiellopsis cpDNA con quelli dei quattro chlorophyte cpDNAs completamente sequenziati finora, cioè i genomi di Nefroselmis, Clorella, Pseudendoclonio e Chlamydomonas . Al 59,5%, il contenuto complessivo di A+T di Oltmannsiellopsis cpDNA è simile a quello di Nephroselmis cpDNA ma è significativamente inferiore a quelli dei tre genomi UTC precedentemente sequenziati. Il genoma di Oltmannsiellopsis mappa come una molecola circolare di 151.933 bp (Figura 1) e contiene 105 geni. Due copie di una sequenza IR di 18.510 bp, ciascuna codificante dieci geni, sono separate l’una dall’altra da regioni a copia singola disuguali, designate SC1 e SC2. Come altri CPDNA UTC, il genoma Oltmannsiellopsis è meno densamente imballato con sequenze codificanti di Mesostigma e Nephroselmis CPDNA; al 59,2%, la sua densità di sequenze codificanti è simile a quelle di Clorella e Pseudendoclonium CPDNA. Distanziatori intergenici in Oltmannsiellopsis cpDNA caratteristica SDRs e hanno una dimensione media di 512 bp, un valore paragonabile a quello osservato per Pseudendoclonium cpDNA (600 bp). Un totale di cinque introni, tutti appartenenti alla famiglia del gruppo I, sono stati identificati in Oltmannsiellopsis cpDNA.

Contenuto genico e introne

Il contenuto genico di Oltmannsiellopsis cpDNA è intermedio tra quelli di Chlorella e Chlamydomonas cpDNAs (Tabella 1). Sebbene Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium CPDNA codifichino lo stesso numero di geni, questi genomi differiscono leggermente nel loro repertorio genico (Tabella 2). Oltmannsiellopsis cpDNA ha mantenuto tutti e tre i geni chl che mancano da Pseudendoclonium cpDNA ma ha perso ycf62, trnL(caa) e trnR (ccg). Rispetto alla Clorella cpDNA, i genomi di Oltmannsiellopsis, Pseudendoclonium e Chlamydomonas mancano di un insieme di cinque geni, cioè cysA, cisti e tre geni tRNA (trnL(gag), trnS(gga) e trnT(ggu)) (Tabella 2). L’assenza di tre geni (ycf62, trnL(caa) e trnR(ccg)) è univocamente condivisa da Oltmannsiellopsis e Chlamydomonas cpDNAs, mentre nessuna perdita genica specifica è condivisa da Pseudendoclonium e Chlamydomonas cpDNAs. Sia Oltmannsiellopsis che Pseudendoclonium CPDNA hanno mantenuto il gene trnR(ccu), che è assente da tutti gli altri CPDNA clorofiti completamente sequenziati.

Come nei genomi del cloroplasto UTC precedentemente studiati, le regioni codificanti di diversi geni in Oltmannsiellopsis cpDNA sono espanse rispetto alle loro controparti Mesostigma (Tabella 3). Tuttavia, la maggior parte delle espansioni geniche in Oltmannsiellopsis sono meno estese di quelle in Pseudendoclonium; solo cemA visualizza una sequenza di codifica più lunga rispetto al suo omologo Pseudendoclonium.

La nostra scoperta di cinque introni del gruppo I in Oltmannsiellopsis cpDNA contrasta nettamente con i 27 introni del gruppo I trovati in Pseudendoclonium cpDNA (Tabella 1). La minore abbondanza di introni in Oltmannsiellopsis cpDNA rappresenta principalmente la dimensione più piccola di questo genoma rispetto a Pseudendoclonium cpDNA. Gli introni Oltmannsiellopsis interrompono tre geni (petB, psbA e rrl) trovati nell’IR (Tabella 4). I geni petB e psbA contengono ciascuno un introne, mentre tre introni sono presenti in rrl. Tutti e cinque gli introni, ad eccezione dell’introne petB, sono omologhi posizionalmente e strutturalmente agli introni precedentemente riportati nei CPDNA delle piante verdi (Tabella 5). Mentre gli omologhi dell’introne Oltmannsiellopsis psbA sono presenti in Pseudendoclonium e Chlamydomonas, gli omologhi dei tre introni rrl si trovano in una maggiore diversità di piante verdi. Considerando che questi introni omologhi sono stati identificati in lignaggi UTC, potrebbero essere stati ereditati per eredità verticale dall’ultimo antenato comune delle alghe UTC; tuttavia, la scoperta che potenzialmente codificano per le endonucleasi homing delle famiglie LAGLIDADG o GIY-YIG (Tabella 4) non ci consente di escludere la possibilità che siano stati acquisiti per trasferimento orizzontale. Sebbene la maggior parte dei 16 introni del gruppo I in Pseudendoclonium cpDNA non abbia omologhi ai siti affini identici in altri genomi del cloroplasto, le loro somiglianze strutturali e di sequenza vicine insieme con la loro assenza da Oltmannsiellopsis cpDNA suggeriscono che sono sorti dalla proliferazione intragenomica nel lignaggio che conduce a Pseudendoclonium . Si noti che le ricerche Blast della sequenza di introni Oltmannsiellopsis petB contro il database GenBank non sono riuscite a rilevare alcun introne omologo in altri organismi.

Struttura del genoma e del gene di partizionamento

Il modello del gene di partizionamento interno di una singola copia regioni di Oltmannsiellopsis cpDNA differisce sostanzialmente dal ancestrale di partizionamento pattern osservato per Mesostigma, Nephroselmis e streptophyte cpDNAs (Figura 1). La grande maggioranza dei 30 geni trovati nella regione SC1 di Oltmannsiellopsis si trovano tipicamente nella regione ancestrale LSC, mentre la regione SC2 contiene 52 geni caratteristici della regione ancestrale LSC oltre a dieci geni caratteristici della regione ancestrale SSC. È interessante notare che SC2 include 12 dei 14 geni LSC che sono stati trasferiti nella regione SSC in Pseudendoclonium cpDNA. I due geni pseudendoclonici eccezionali che non hanno omologhi in Oltmannsiellopsis SC2 sono trnH (gug) e trnL (caa); il gene trnH(gug) risiede nella regione SC1 di Oltmannsiellopsis, mentre trnL(caa) è stato perso da Oltmannsiellopsis cpDNA. Considerando il contenuto genetico delle regioni a copia singola di Oltmannsiellopsis, sembra inappropriato etichettare queste regioni in base alle loro dimensioni. Anche se SC1 è più piccolo di SC2, probabilmente corrisponde alla regione ancestrale LSC, e SC2 è apparentemente derivato dalla regione ancestrale SSC.

La sequenza IR in Oltmannsiellopsis cpDNA è circa 12 kb più grande di quella in Pseudendoclonium cpDNA e contiene cinque geni in aggiunta a quelli trovati nell’operone rRNA (Figura 1). A 18.510 bp, la sequenza IR di Oltmannsiellopsis è simile per dimensioni a quella di Chlamydomonas (Tabella 1). Entrambe le giunzioni IR in Oltmannsiellopsis cpDNA comprendono geni (cemA e ftsH) di cui le sequenze codificanti si espandono nelle regioni a copia singola. Come nel Pseudendoclonium IR, i geni di Oltmannsiellopsis rRNA sono trascritti verso la singola regione della copia che trasporta i geni che mappano al LSC in CPDNA prasinophyte e streptophyte. Al contrario, l’operone rRNA è trascritto verso la regione SSC in Nephroselmis e CPDNA streptophyte. L’orientamento dell’operone rRNA non può essere stabilito in Chlamydomonas cpDNA a causa delle regioni a copia singola ampiamente strapazzate, e questo orientamento rimane sconosciuto in Chlorella cpDNA a causa della perdita IR.

Considerando che Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium rappresentano distinte, primi divergenti lignaggi del Ulvophyceae, le sorprendenti somiglianze tra il quadripartito architetture di Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium cpDNAs suggeriscono che sia atipico gene modello partizionamento e insolito orientamento di PI sono state caratteristica del genoma del cloroplasto dei primi divergenti ulvophytes. I nostri dati prevedono che la regione SSC dell’ultimo antenato comune di Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium CPDNA presenti 12 dei geni di solito si trovano nella regione LSC in Nephroselmis e CPDNA streptophyte, mentre la regione LSC conteneva esclusivamente geni caratteristici della regione ancestrale LSC. Di conseguenza, nel lignaggio che porta allo pseudendoclonio, due geni extra sono stati trasferiti nella regione SSC, mentre 40 geni aggiuntivi sono migrati in questa regione nel lignaggio Oltmannsiellopsis. Sebbene i meccanismi alla base di queste migrazioni geniche tra regioni a copia singola rimangano sconosciuti, probabilmente hanno coinvolto eventi di ricombinazione intramolecolare o intermolecolare. L’analisi dei cluster di geni conservati riportati di seguito indica chiaramente che diversi geni sono stati trasferiti insieme nel corso di queste migrazioni.

I geni sono stati mescolati più estesamente tra le due regioni a copia singola in Chlamydomonas cpDNA (Figura 1). Si può immaginare che durante l’evoluzione delle ulvofite e delle alghe verdi cloroficee, il modello ancestrale di partizionamento genico sia stato interrotto in fasi successive, con un’organizzazione simile a pseudendoclonio che si è evoluta in un’organizzazione simile a Oltmannsiellopsis, portando infine all’ampia scrambling dei geni osservati in Chlamydomonas. Data l’assenza dell’IR dal genoma della Clorella, è molto difficile accertare se la direzione di trascrizione dell’operone rRNA sia cambiata e se i geni siano stati trasferiti da una regione genomica all’altra durante l’evoluzione dei trebouxiofiti. La perdita dell’IR è solitamente associata a molti riarrangiamenti genici; nel caso della Clorella cpDNA, tuttavia, tutti i geni solitamente presenti nella regione ancestrale SSC sono rimasti raggruppati, ad eccezione di tre geni (psaC, ycf20 e trnL(uag)) (Figura 1). Saranno necessarie indagini su genomi di cloroplasti contenenti IR provenienti da distinti lignaggi di trebouxiofiti per verificare se alcuni dei trasferimenti genici identificati qui in Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium CPDNA provenissero dall’antenato comune delle alghe UTC.

Clustering genico

L’organizzazione genica complessiva di Oltmannsiellopsis cpDNA differisce ampiamente da quella del suo omologo pseudendoclonio e, sorprendentemente, assomiglia più da vicino a quella della Clorella cpDNA (Figura 2). Oltmannsiellopsis e Chlorella cpDNAs condividono 21 blocchi di sequenze colineari che contengono un totale di 65 geni, mentre Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium cpDNAs hanno in comune 18 blocchi contenenti 55 geni. Solo otto blocchi contenenti 19 geni sono conservati nei genomi Oltmannsiellopsis e Chlamydomonas.

Molti dei 24 cluster di geni ancestrali condivisi da Mesostigma e Nephroselmis CPDNA sono stati interrotti durante l’evoluzione delle alghe verdi UTC. In questo studio, abbiamo analizzato 19 cluster ancestrali; i cinque rimanenti non hanno potuto essere studiati perché i geni che contengono sono stati persi dai CPDNA UTC (Figura 3). Tutti i cluster 19 sono stati rotti almeno in un’occasione durante l’evoluzione delle alghe UTC. Con solo 12 punti di interruzione, Chlorella cpDNA mostra la più forte conservazione dei cluster ancestrali. Con 20 punti di interruzione, Oltmannsiellopsis cpDNA occupa una posizione mediana tra Chlorella e Pseudendoclonium (24 punti di interruzione) CPDNA, mentre Chlamydomonas cpDNA rivela il doppio dei punti di interruzione (42 punti di interruzione). I genomi Chlamydomonas, Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium condividono cinque punti di interruzione che mancano nella Clorella cpDNA. Oltre a questi punti di interruzione, Pseudendoclonium e Chlamydomonas cpDNAs condividono sei punti di interruzione che sono assenti da Oltmannsiellopsis e Chlorella cpDNAs. Non esiste un punto di interruzione esclusivo dei genomi Oltmannsiellopsis e Chlamydomonas.

Due ammassi ancestrali mostrano punti di interruzione che sono unici per le Ulvophyceae. Il cluster psbB-psbT-psbN-psbH quasi universalmente conservato è stato frammentato all’estremità 5 ‘ di psbN, creando due pezzi separati, ognuno dei quali codifica una coppia di geni, in Oltmannsiellopsis cpDNA. Nel lignaggio pseudendoclonio, l’introduzione di un ulteriore punto di interruzione sul lato opposto di psbN ha portato al trasferimento di questo gene sul filamento di DNA che codifica psbB, psbT e psbH, senza alcun cambiamento nell’ordine dei geni. Nel lignaggio Oltmannsiellopsis, tre punti di interruzione si sono verificati nell’operone ancestrale rRNA per generare una nuova unità di trascrizione in cui l’ordine dei geni tRNA(ugc) e trnI(gau) è stato invertito. Gli operoni rRNA riarrangiati sono stati riportati per i CPDNA del trebouxiophyte Chlorella ellipsoidea e dell’ulvophyte Codium fragile; tuttavia, in questi casi, l’operone rRNA ancestrale è stato diviso in frammenti separati che sono trascritti da diversi promotori.

In termini di cluster di geni derivati, Oltmannsiellopsis cpDNA è più simile alla Clorella cpDNA (Figura 4). Un cluster derivato è definito qui come un gruppo di geni con le stesse polarità relative in due o più genomi UTC, ma assente da Mesostigma e Nephroselmis cpDNAs. Oltmannsiellopsis cpDNA condivide cinque cluster derivati con il suo omologo Clorella, mentre Pseudendoclonium cpDNA condivide tre cluster, uno dei quali manca da Oltmannsiellopsis. Dei quattro cluster derivati comuni a Oltmannsiellopsis e Pseudendoclonium cpDNAs, nessuno si trova in Chlamydomonas cpDNA.

Abbiamo stimato che sarebbe necessario un minimo di 50 inversioni per trasformare l’organizzazione genica di Oltmannsiellopsis cpDNA in quella di qualsiasi altro genoma di clorofito (Tabella 6). Analisi comparative di CPDNA da piante terrestri e da chlamydomonads strettamente correlati suggeriscono che le inversioni rappresentano il meccanismo predominante dei riarrangiamenti del genoma del cloroplasto nelle piante verdi. Tuttavia, le inversioni potrebbero non essere gli unici eventi mutazionali che causano cambiamenti di ordine genico nei CPDNA di clorofiti, poiché le trasposizioni sono state proposte per spiegare alcuni dei riarrangiamenti osservati nelle Campanulaceae e nei CPDNA sottoclover.

Elementi ripetuti

Un gran numero di elementi SDR si trovano in Oltmannsiellopsis cpDNA (Figura 5). Sebbene questi elementi risiedano prevalentemente all’interno di distanziatori e introni intergenici, alcune copie popolano le regioni di codifica di cemA, chlB, chlL, chlN, ftsH, rpoB, rpoC1 e rpoC2. Gli elementi più abbondanti possono essere classificati in cinque gruppi di unità di ripetizione non sovrapposte (da A a E) sulla base delle loro sequenze primarie (Tabella 7). Le loro dimensioni variano da 7-21 bp e il loro numero di copie varia da 17 a più di 250. La sequenza di unità di ripetizione A o B è più spesso legata al complemento inverso della stessa sequenza, formando così palindromi perfetti o strutture di loop staminali putative con un ciclo di due A o due T (Figura 6). In alcuni casi, i palindromi o porzioni staminali delle strutture staminali-loop sono estesi con l’aggiunta di ripetizioni meno frequenti. Inoltre, alcune copie delle unità di ripetizione A e B si presentano come sequenze solitarie, che rappresentano probabilmente versioni degenerate degli accordi più comuni con palindromi o strutture stem-loop. Ripetere l’unità C può formare strutture stem-loop, con un ciclo di dimensioni variabili. Sebbene le unità di ripetizione D ed E non siano associate a strutture stem-loop, risiedono in prossimità di altri elementi ripetuti.

I DSP in Oltmannsiellopsis cpDNA non assomigliano molto a quelli presenti in altri CPDNA UTC. Le ripetizioni di Oltmannsiellopsis sono polarizzate in G + C, mentre le ripetizioni di Clorella mostrano una polarizzazione in A+T. Lo Pseudendoclonium e Chlamydomonas SDRs sono anche ricchi di G + C, ma le loro sequenze non condividono evidenti somiglianze con le ripetizioni Oltmannsiellopsis. Questa mancanza di somiglianze di sequenza tra SDR derivati da genomi UTC distinti suggerisce che SDR sono stati acquisiti indipendentemente in lignaggi UTC. Tuttavia, l’ipotesi alternativa che i DSP siano stati trasmessi verticalmente non può essere esclusa se assumiamo che questi elementi evolvano ad un ritmo molto veloce. Studi di CPDNA da taxa UTC strettamente correlati saranno tenuti a distinguere tra queste due ipotesi.

I DSP hanno probabilmente svolto un ruolo importante nel rimodellamento del genoma del cloroplasto nei lignaggi UTC. In precedenza è stata osservata una correlazione tra l’abbondanza di DSP e l’estensione dei riarrangiamenti genici nei genomi algali UTC . Questa correlazione tiene ancora con l’aggiunta di sequenza del genoma del cloroplasto Oltmannsiellopsis. L’abbondanza di elementi SDR in Oltmannsiellopsis cpDNA è paragonabile a quella osservata in Pseudendoclonium cpDNA (Figura 7) e i geni sono stati riorganizzati in misura simile in entrambi i genomi (Tabella 6). I DSP nei CPDNA delle piante verdi potrebbero fungere da punti caldi per eventi ricombinazionali non omogenei e portare a inversioni e trasposizioni .