den komplette kloroplast DNA-sekvensen Av den grønne algen Oltmannsiellopsis viridis avslører en særegen quadripartite arkitektur i kloroplast genomet av tidlig divergerende ulvophytes

Generelle funksjoner

Tabell 1 sammenligner de generelle egenskapene til oltmannsiellopsis cpdna Med De Av De Fire klorofyt cpdna helt sekvensert så langt, dvs. genomene Av Nephroselmis, Chlorella, Pseudendoclonium og Chlamydomonas . Ved 59,5% er Det totale a+T-innholdet Av Oltmannsiellopsis cpDNA likt Nephroselmis cpDNA, men er signifikant lavere enn for de tre tidligere sekvenserte UTC-genomene. Oltmannsiellopsis-genomet kartlegger som et sirkulært molekyl på 151 933 bp (Figur 1) og inneholder 105 gener. To kopier AV EN IR-sekvens på 18 510 bp, som hver koder for ti gener, er skilt fra hverandre av ulik enkeltkopieringsregioner, betegnet SC1 OG SC2. Som andre utc cpDNAs Er Oltmannsiellopsis-genomet mindre tett pakket med kodende sekvenser enn Mesostigma og Nephroselmis cpDNAs; ved 59.2% er dens tetthet av kodende sekvenser lik De Av Chlorella og Pseudendoclonium cpDNAs. Intergeniske avstandsstykker I Oltmannsiellopsis cpDNA har Sdr og har en gjennomsnittlig størrelse på 512 bp, en verdi som er sammenlignbar med den som er observert For Pseudendoklonium cpDNA (600 bp). Totalt fem introner, som alle tilhører gruppe i-familien, ble identifisert I Oltmannsiellopsis cpDNA.

Gen-og introninnhold

geninnholdet I Oltmannsiellopsis cpDNA er mellomliggende Mellom Innholdet Av Chlorella og Chlamydomonas cpDNAs (Tabell 1). Selv Om Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium cpDNAs koder for det samme antall gener, varierer disse genomene litt i deres genrepertoar (Tabell 2). Oltmannsiellopsis cpDNA har beholdt alle tre chl gener som mangler Fra Pseudendoclonium cpDNA, men har mistet ycf62, trnL(caa) og trnr (ccg). I forhold Til Chlorella cpDNA mangler Genomene Av Oltmannsiellopsis, Pseudendoklonium og Klamydomonas et sett med fem gener, dvs.cisa, cyste og tre trna-gener (trnL(gag), trnS(gga) og trnT(ggu)) (Tabell 2). Fraværet av tre gener (ycf62, trnL (caa) og trnr (ccg)) deles unikt Av Oltmannsiellopsis og Chlamydomonas cpDNAs, mens ingen spesifikk gent tap deles Av Pseudendoclonium og Chlamydomonas cpDNAs. Både Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium cpdna har beholdt trnR (ccu) genet, som er fraværende fra alle andre helt sekvenserte klorofyt cpdna.

Som I utc-kloroplastgenomene som tidligere ble undersøkt, utvides kodingsområdene til flere gener I Oltmannsiellopsis cpDNA i forhold til Deres Mesostigma-kolleger (Tabell 3). Imidlertid er de fleste genutvidelsene I Oltmannsiellopsis mindre omfattende enn De I Pseudendoklonium; bare cemA viser en lengre kodingssekvens enn Sin Pseudendokloniumhomolog.

vårt funn av fem gruppe i-introner I Oltmannsiellopsis cpDNA kontrasterer kraftig med 27 gruppe i-introner funnet I Pseudendoklonium cpDNA (Tabell 1). Den lavere overflod av introner I Oltmannsiellopsis cpDNA står hovedsakelig for den mindre størrelsen på dette genomet i forhold Til Pseudendoklonium cpDNA. Oltmannsiellopsis-intronene avbryter tre gener (petB, psbA og rrl) funnet I IR (Tabell 4). PetB-og psbA-genene inneholder hver en intron, mens tre introner er tilstede i rrl. Alle fem introner, med unntak av petB intron, er posisjonelt og strukturelt homologe til tidligere rapporterte introner i grønne plante cpdna (Tabell 5). Mens homologer Av Oltmannsiellopsis psba intron er tilstede I Pseudendoklonium og Klamydomonas, finnes homologer av de tre rrl-intronene i et større mangfold av grønne planter. Tatt i betraktning at disse homologe intronene har blitt identifisert i UTC-linjene, kan de ha blitt arvet ved vertikal arv fra DEN siste felles forfederen TIL UTC-alger; men funnet at de potensielt koder for homing endonukleaser AV LAGLIDADG-eller GIY-YIG-familiene (Tabell 4) tillater oss ikke å utelukke muligheten for at DE ble kjøpt ved horisontal overføring. Selv om de fleste av de 16 gruppe i introner I Pseudendoclonium cpDNA har ingen homologer på identiske beslektede steder i andre kloroplast genomer, deres nære strukturelle og sekvens likheter sammen med deres fravær Fra Oltmannsiellopsis cpDNA tyder på at de oppsto fra intragenomisk spredning i avstamning fører Til Pseudendoclonium . Merk at Blast søk I Oltmannsiellopsis petB intron sekvens mot genbank databasen ikke klarte å oppdage noen homolog intron i andre organismer.

Genom struktur og genet partisjonering

mønsteret av genet partisjonering innenfor enkelt kopi regioner Av Oltmannsiellopsis cpDNA skiller seg vesentlig fra forfedrenes partisjonering mønster observert For Mesostigma, Nephroselmis og streptophyte cpDNAs (Figur 1). Det store flertallet av de 30 genene som finnes I SC1-regionen I Oltmannsiellopsis finnes vanligvis i forfedrenes lsc-region, MENS SC2-regionen inneholder 52 gener som er karakteristiske for forfedrenes LSC-region i tillegg til ti gener som er karakteristiske for forfedrenes SSC-region. Interessant INKLUDERER SC2 12 av de 14 lsc-genene som er overført TIL SSC-regionen I Pseudendoklonium cpDNA. De to eksepsjonelle Pseudendokloniumgener som ikke har noen homologer I Oltmannsiellopsis SC2 er trnH(gug) og trnL(caa); trnh (gug) genet ligger I SC1 regionen Oltmannsiellopsis, mens trnL (caa) har gått tapt Fra Oltmannsiellopsis cpDNA. Med tanke på geninnholdet I Oltmannsiellopsis enkeltkopieringsregioner, virker det upassende å merke disse regionene i henhold til deres størrelser. SELV OM SC1 er mindre ENN SC2, svarer DET sannsynligvis TIL forfedrenes lsc-region, OG SC2 er tilsynelatende avledet FRA forfedrenes SSC-region.

IR-sekvensen I Oltmannsiellopsis cpDNA er omtrent 12 kb større enn Den I Pseudendoklonium cpDNA og inneholder fem gener i Tillegg til de som finnes i rrna-operonen (Figur 1). VED 18.510 bp ER IR-sekvensen Av Oltmannsiellopsis lik i størrelse Til Klamydomonas (Tabell 1). BEGGE IR-kryssene i Oltmannsiellopsis cpDNA omfatter gener (cemA og ftsH) som kodingssekvensene utvides til enkeltkopiområdene. Som I Pseudendoclonium IR, er Oltmannsiellopsis rrna gener transkribert mot enkelt kopi regionen bærer gener som kartlegge TIL LSC i prasinophyte og streptophyte cpDNAs. I motsetning til dette er rrna-operonen transkribert mot SSC-regionen i Nephroselmis og streptophyte cpDNAs. Orienteringen av rrna operon kan ikke etableres I Chlamydomonas cpDNA på grunn av de omfattende krypterte enkeltkopiområdene, og denne orienteringen forblir ukjent I Chlorella cpDNA på GRUNN av IR-tapet.

Tatt I Betraktning At Oltmannsiellopsis og Pseudendoklonium representerer distinkte, tidlige divergerende linjer Av Ulvophyceae, tyder de slående likhetene mellom quadripartite arkitekturer Av Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium cpDNAs på at både det atypiske genpartisjoneringsmønsteret og uvanlig orientering AV IR var karakteristisk for kloroplastgenomet av tidligste divergerende ulvofytter. Våre data spår AT SSC-regionen av den siste felles stamfar Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium cpDNAs omtalt 12 av genene som vanligvis finnes i lsc-regionen I Nephroselmis og streptophyte cpDNAs, MENS LSC-regionen inneholdt utelukkende gener karakteristisk for forfedrenes lsc-regionen. Følgelig, i avstamning som fører Til Pseudendoklonium, to ekstra gener ble overført TIL SSC-regionen, mens 40 ekstra gener migrert til denne regionen I Oltmannsiellopsis avstamning. Selv om mekanismene bak disse genmigrasjonene mellom enkeltkopiregioner forblir ukjente, involverte de sannsynligvis intramolekylære eller intermolekylære rekombinasjonshendelser. Analysen av konserverte genklynger rapportert nedenfor tyder tydelig på at flere gener ble overført sammen i løpet av disse migrasjonene.

Gener har blitt mer omfattende blandet mellom De to enkeltkopiområdene I Chlamydomonas cpDNA (Figur 1). Det kan tenkes at under utviklingen av ulvophytes og chlorophycean grønne alger ble det forfedre mønsteret av genpartisjonering forstyrret i suksessive trinn, med En Pseudendokloniumlignende organisasjon som utviklet seg til En Oltmannsiellopsis-lignende organisasjon, som til slutt førte til den omfattende scrambling av gener observert I Klamydomonas. Gitt fraværet AV IR fra Chlorella-genomet, er det svært vanskelig å fastslå om transkripsjonsretningen til rrna-operonen endret seg og om gener ble flyttet fra en genomisk region til en annen under utviklingen av trebouxiophytes. Tap AV IR er vanligvis forbundet med mange genrearrangementer ; i Tilfelle Av Chlorella cpDNA har imidlertid alle gener som vanligvis finnes i den forfedre SSC-regionen, forblitt gruppert, med unntak av tre gener (psaC, ycf20 og trnL(uag)) (Figur 1). Undersøkelser AV IR-holdige kloroplastgenomer fra forskjellige trebouxiofytelinjer vil bli pålagt å teste om noen av genflyttingene identifisert her i Både Oltmannsiellopsis og Pseudendoklonium cpdna stammer fra den felles forfederen TIL UTC-alger.

Gene clustering

den samlede genorganisering Av Oltmannsiellopsis cpDNA skiller seg mye fra Sin Pseudendoclonium homolog og, overraskende, mer ligner på Chlorella cpDNA (Figur 2). Oltmannsiellopsis og Chlorella cpDNAs dele 21 blokker av kolineære sekvenser som inneholder totalt 65 gener, Mens Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium cpDNAs har til felles 18 blokker som inneholder 55 gener. Bare åtte blokker som inneholder 19 gener er bevart I Oltmannsiellopsis og Chlamydomonas genomene.

Mange av de 24 forfedre genklyngene som deles Av Mesostigma og Nephroselmis cpdna, har blitt forstyrret under utviklingen AV utc-grønne alger. I denne studien har vi analysert 19 forfedre klynger; de fem gjenværende kunne ikke undersøkes fordi genene de inneholder, har gått tapt fra utc cpdna (Figur 3). Alle 19 klynger har blitt brutt i det minste i en anledning under utviklingen AV UTC-alger. Med bare 12 avbruddspunkter viser Chlorella cpDNA den sterkeste bevaringen av forfedre. Med 20 breakpoints, Oltmannsiellopsis cpDNA opptar en median posisjon Mellom Chlorella og Pseudendoclonium (24 breakpoints) cpdna, Mens Chlamydomonas cpDNA avslører dobbelt så mange breakpoints (42 breakpoints). Chlamydomonas, Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium genomer dele fem stoppunkter som mangler I Chlorella cpDNA. Bortsett fra disse brytningspunktene deler Pseudendoklonium og Klamydomonas cpDNAs seks brytningspunkter som er fraværende Fra Oltmannsiellopsis og Chlorella cpDNAs. Det er ingen stoppunkt eksklusivt For Oltmannsiellopsis og Chlamydomonas genomer.

To forfedre klynger viser brytepunkter som er unike For Ulvophyceae. Den nesten universelt konserverte psbb-psbT-psbN-psbH-klyngen ble fragmentert i 5 ‘ enden av psbN, og skapte to separate stykker, hver koding av et par gener, I Oltmannsiellopsis cpDNA. I Pseudendokloniumlinjen førte innføringen av et ekstra brytepunkt på motsatt side av psbN til flyttingen av dette genet på DNA-strengen som koder for psbB, psbT og psbH, uten endring i genrekkefølge. I Oltmannsiellopsis-linjen oppstod tre brytepunkter i forfedre rrna operon for å generere en ny transkripsjonsenhet der rekkefølgen av trna(ugc) og trnI (gau) gener har blitt reversert. Omorganisert rrna operoner har blitt rapportert for cpDNAs av trebouxiophyte Chlorella ellipsoidea og ulvophyte Kodium skjøre ; derimot, i disse tilfellene, forfedrenes rrna operon ble delt inn i separate fragmenter som er transkribert fra ulike arrangører.

Når Det gjelder avledede genklynger, Er Oltmannsiellopsis cpDNA mest lik Chlorella cpDNA(Figur 4). En avledet klynge er definert her som en gruppe gener med samme relative polariteter i to eller flere utc-genomer, men fraværende Fra Mesostigma og Nephroselmis cpDNAs. Oltmannsiellopsis cpDNA deler fem avledede klynger med Sin chlorella homolog, Mens Pseudendoclonium cpDNA deler tre klynger, hvorav den ene mangler Fra Oltmannsiellopsis. Av de fire avledede klyngene som er felles For Oltmannsiellopsis og Pseudendoclonium cpdna, finnes ingen I Chlamydomonas cpDNA.

Vi anslått at et minimum av 50 inversjoner ville være nødvendig for å transformere genet organisering Av Oltmannsiellopsis cpDNA i at av alle andre klorofytt genom (Tabell 6). Komparative analyser av cpdna fra landplanter og fra nært beslektede klamydomonader tyder på at inversjoner representerer den dominerende mekanismen av kloroplast genom rearrangements i grønne planter. Inversjoner kan imidlertid ikke være de eneste mutasjonelle hendelsene som forårsaker genordreendringer i klorofytes cpDNAs, da transposisjoner har blitt foreslått å redegjøre for noen av omleggingene observert I Campanulaceae og i subclover cpDNAs.

Gjentatte elementer

Et stort antall SDR-elementer finnes I Oltmannsiellopsis cpDNA (Figur 5). Selv om disse elementene hovedsakelig ligger innenfor intergeniske avstandsstykker og introner, fyller noen få kopier de kodende områdene av cemA, chlB, chlL, chlN, ftsH, rpoB, rpoC1 og rpoC2. De mest tallrike elementene kan klassifiseres i fem grupper av ikke-overlappende gjenta enheter (a til E) på grunnlag av deres primære sekvenser (Tabell 7). Deres størrelser varierer fra 7-21 bp og deres kopi tall varierer fra 17 til mer enn 250. Sekvensen av gjenta enhet A Eller B er oftest knyttet til omvendt komplement av samme sekvens, og danner dermed perfekte palindromer eller formodede stamme-loop strukturer med en sløyfe på to A Eller To T (Figur 6). I noen tilfeller, palindromer eller stamme deler av stammen-loop strukturer er utvidet ved tilsetning av mindre hyppige repetisjoner. Videre forekommer noen få kopier av gjentatte enheter A Og B som ensomme sekvenser, som representerer sannsynligvis degenererte versjoner av de mer vanlige arrangementene med palindromer eller stem-loop strukturer. Gjenta enhet C kan danne stem-loop strukturer, med en sløyfe av variabel størrelse. Selv om gjentatte enheter D og E ikke er forbundet med stem-loop strukturer, bor de i nærheten av andre gjentatte elementer.

Sdr-ene I Oltmannsiellopsis cpDNA ligner ikke de som er tilstede i andre utc cpdna. Oltmannsiellopsis-repetisjonene er partisk I G + C, Mens Chlorella-repetisjonene viser en bias I A + T. Pseudendoclonium Og Chlamydomonas Sdr er også rike På G + C, men deres sekvenser deler ingen åpenbare likheter med Oltmannsiellopsis gjentar. Denne mangelen på sekvenslikheter mellom Sdr avledet fra forskjellige UTC-genomer antyder at Sdr har blitt kjøpt uavhengig i UTC-linjene. Den alternative hypotesen om At Sdr ble overført vertikalt kan imidlertid ikke utelukkes hvis vi antar at disse elementene utvikler seg i et veldig raskt tempo. Studier av cpdna fra nært beslektede utc taxa vil bli pålagt å skille mellom disse to hypotesene.

Sdr har mest sannsynlig spilt en viktig rolle i remodellering av kloroplastgenomet i UTC-linjene. En korrelasjon har tidligere blitt observert mellom overflod Av Sdr og omfanget av genomlegginger I UTC-algegener . Denne korrelasjonen fortsatt holder med tillegg Av Oltmannsiellopsis kloroplast genom sekvens. Mengden AV SDR-elementer I Oltmannsiellopsis cpDNA er sammenlignbar med det som er observert I Pseudendoklonium cpDNA (Figur 7) og gener har blitt omorganisert i tilsvarende grad i begge genomene (Tabell 6). Sdr i grønne anlegg cpDNAs kan tjene som hot spots for nonhomologous rekombinasjonelle hendelser og føre til inversjoner og transposisjoner .