The chloroplast genome variation and the phylogeny of zoysia(Poaceae)
- 주제(키워드) Zoysia , Poaceae , genome variation , phylogenetics
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김기중
- 발행년도 2014
- 학위수여년월 2014. 8
- 학위구분 석사
- 학과 일반대학원 생명과학과
- 원문페이지 87 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000052101
- 본문언어 영어
- 제출원본 000045808824
초록/요약
The largest family within the order Poales, Poaceae (the grasses), consists of approximately 700 genera and more than 10,000 species. Poaceae was composed of two major clades, one comprising the three subfamilies Bambusoideae, Ehrhartoideae and Pooideae (BEP clade) and the other consisting of the seven subfamilies Panicoideae, Arundinoideae, Chloridoideae, Centothecoideae, Micrairoideae, Aristidoideae and Danthonioideae (PACCMAD clade). Zoysia grasses belong to the subfamily Chloridoideae of PACCMAD clade in Poaceae. The genus Zoysia Willd. comprise eight different species and distribute from the temperate regions of Northeast Asia, including Korea, Japan and China, to the tropical regions of Southeast Asia. Among them, Zoysia japonica Steud., Zoysia matrella (L.) Merr., Zoysia sinica Hance and Zoysia macrostachya Franch. & Sav. are naturally distributed in Korea. In this study, the whole chloroplast genome sequences from three Korean Zoysia species, Z. japonica (136,200bp), Z. sinica (135,872bp) and Z. macrostachya (135,904bp), were completed. These genomes composed of circular double-stranded DNA molecule with quadripartite structure, including two copies of inverted repeats (IRs), a large-single copy (LSC) and a small-single copy (SSC). The structural organization, gene and intron contents, gene order, A-T content, codon usage and transcription units of these species chloroplast genomes are similar to that of typical Poaceous plants such as Oryza, Zea, and Hordeum. As in other grasses, the genes accD, ycf1 and ycf2 and introns in clpP and rpoC1 genes are absent. And the genes rps12 and ycf3 have two introns. Genome size differences are mainly due to length variations in non-coding regions. Comparison of IR boundaries among four species, three commelinids of monocots (Zoysia, Zea and Oryza) and one Asterids of eudicots (Nicotiana), indicate that length variation of border are very common evolutionary event. Like other grass chloroplast genomes, the IR in three Zoysia species has expanded to include rps19 gene. Furthermore, the IR has expanded to duplicate a portion of the 5’ end of ndhF gene. These results indicate that the expansion of ndhF gene is a specific characteristic of PACCMAD clade grasses but not BEP clade members. Fifty-nine, sixty-three and sixty-two simple sequence repeats (SSRs) were identified in the Z. japonica, Z. sinica, Z. macrostachya chloroplast genome, respectively. The majority (50, 54, 53) of the SSRs are homopolymers, while eight are di-polymers and one is tri-polymer. These are useful for population-genetics and phylogenetics. Also, we aligned and analyzed nucleotide diversity in three Zoysia specis comparisons of Z. japonica vs. Z. sinica, Z. japonica vs. Z. macrostachya, Z. macrostachya vs. Z. sinica. The sequences of 81 coding genes, 17 introns and 109 intergenic spacers (IGS) in three Zoysia species chloroplast genomes were used. Our data indicate that the IR region evolved at a slower rate than the SSC or the LSC regions. To determine the phylogenetic position of genus Zoysia, we established a phylogenetic tree based on ITS marker using maximum likelihood (ML) analysis. Totally 5 genera 126 taxa were obtained by experiment or NCBI Genebank. The tribe Zoysieae composed of two well resolved subtribes, the Sporobolinae and the Zoysiinae. The Zoysiinae is represented by a single genus, Zoysia (bootstrap value=100). Among Zoysia species, a group of Z. macrostachya and Z. japonica are relatively basal group. In our study, the three chloroplast genomes in Zoysia are the first reports from the subfamily Chloridoideae of Poaceae. Therefore, our data will be helpful to address the molecular evolution and phylogenetics of grass family.
more초록/요약
벼목 (Poales)에서도 가장 큰 과인 화본과 (Poaceae)에는 700속 10,000여종이 속하며, 이들은 크게 두 개의 clade로 나뉘어진다. 하나는 3개의 subfamily로 이루어진 BEP clade이며, 다른 하나는 7개의 subfamily로 이루어진 PACCMAD clade이다. 잔디류는 PACCMAD clade 중 나도바랭이아과 (Chloridoideae)에 속한다. 현재, 잔디속 (Zoysia Willd.)에는 8종이 보고되어 있으며, 이들은 한국, 일본, 중국 등 동북아시아의 온대 기후 전역부터 필리핀, 태국을 비롯한 동남아시아의 열대 지역에 걸쳐 분포하고 있다. 한국에는 잔디, 금잔디, 왕잔디, 갯잔디 총 4종 서식하고 있다. 우리는 이 중 잔디 (Zoysia japonica Steud.), 갯잔디 (Zoysia sinica Hance), 왕잔디 (Zoysia macrostachya Franch. & Sav.) 3종의 엽록체 게놈을 완전히 해독하였다. 잔디와 갯잔디, 왕잔디의 엽록체 게놈은 두 개의 inverted repeat (IR) 지역으로 분리된 large-single copy (LSC)와 small-single copy (SSC) 지역을 갖는 원형의 DNA 분자이다. 엽록체 게놈의 전체 길이는 잔디, 갯잔디, 왕잔디 순서로 136,200 bp, 135,872 bp, 135,904 bp이다. 이들 게놈의 구조적 특징, 유전자와 인트론의 유무, 유전자 배열, A-T 비율 등은 Oryza, Zea, Hordeum과 같은 화본과 식물의 엽록체 게놈과 비슷하다. 세 개의 엽록체 게놈은 76개의 단백질 암호화 유전자, 30개의 tRNA 유전자, 4개의 rRNA 유전자를 포함하여, 총 110개의 유전자를 가진다. 다른 화본과 식물과 마찬가지로 accD, ycf1, ycf2 유전자와 clpP, rpoC1 유전자의 인트론이 소실되었다. rps12, ycf3 유전자는 두 개의 인트론을 가진다. 그 중 rps12 유전자는 다른 육상식물의 엽록체에서와 같이 LSC지역에 위치하는 5’-rps12와 IR지역에 위치하는 3’-rps12로 나누어진다. 단자엽식물이며 화본과식물인 Zoysia, Zea, Oryza와 쌍자엽식물인 Nicotiana의 IR/SC경계지역을 비교하였다. 다른 화본과 식물의 엽록체 게놈에서도 그렇듯, Zoysia japonica 엽록체 게놈의 LSC/IR 경계지역에서는 완전한 rps19 유전자가 IR지역에 위치하며, SSC/IRb 경계지역은 ndhF 유전자를 포함하는 방향으로 확장되어 ndhF 유전자의 일부가 각 IR지역에 복제되어 위유전자로 존재한다. 특히, 두 IR경계지역에 ndhF 위유전자가 위치하는 것은 화본과 식물 중에서도 PACCMAD clade에 속하는 식물의 특징이다. BEP clade에 속하는 Oryza sativa의 엽록체 게놈에서는 SSC/IRa 경계지역이 ndhH 유전자를 포함하는 방향으로 확장되어 ndhH 유전자의 일부가 각 IR지역에 복제되어 위유전자로 존재한다. 잔디, 갯잔디, 왕잔디는 각각 59개, 63개, 62개의 simple sequence repeats (SSRs)을 가진다. 이것은 집단유전학 및 계통 연구에 유용하게 이용될 수 있다. 우리는 세 개의 비교 조합 (잔디 vs. 갯잔디, 잔디 vs. 왕잔디, 갯잔디 vs. 왕잔디)을 가지고 nucleotide diversity, indel events, polymorphic sites, Ka/Ks 값을 분석하였다. 종내 변이율이 비교적 높은 ITS marker를 이용한 최대유사분석 (maximum likelihood, ML)결과, 잔디족 (Zoysieae)은 잔디아족 (Zoysiinae)과 Sporobolinae 두 개의 아족으로 나눠지며, 잔디아족은 잔디속 하나만을 가지는 단계통으로 100%의 분지신뢰도로 지지된다. 본 논문에서 해독된 세 개의 잔디 엽록체 게놈은 화본과의 나도바랭이아과 (Chloridoideae)에서 처음으로 보고되는 것이며, 이는 화본과 식물의 분자진화 및 계통을 밝히는데 유용하게 이용될 것이다.
more목차
ABSTRACT i
LIST OF CONTENTS iv
LIST OF FIGURES vi
LIST OF TABLES vii
INTRODUCTION １
MATERIALS & METHODS ７
Taxon sampling and DNA extraction ７
PCR amplification and sequencing ７
Chloroplast genome annotation and analysis ８
Phylogenetic analysis ９
RESULTS 1 0
General features of chloroplast genomes １０
Base substitution patterns 19
The phylogenetic analysis 27
DISCUSSION 29
The organization of chloroplast genomes 29
Chloroplast base substitution patterns 32
Implication to the phylogenetic analysis 34
REFERENCES 36
APPENDICES 45
국문 초록 76
