蚕豆细胞器基因组密码子的使用情况分析.pdf

第43卷第6 期2023年11月doi:10.19638/j.issn1671-1114.20230602天津师范大学学报（自然科学版）Journal of Tianjin Normal University(Natural Science Edition)Vol.43No.6Nov.2023蚕豆细胞器基因组密码子的使用情况分析包国媛1，祁乐萍1，马娟，杨鑫光1，王久利1,2（1.青海民族大学生态环境与资源学院，西宁8 10 0 0 7；2.青海民族大学青藏高原资源化学与生态环境保护国家民委重点实验室，西宁8 10 0 0 7）摘要：为了揭示蚕豆细胞器基因组密码子的使用模式，利用CodonW1.4.2和CUSP软件分别对蚕豆线粒体和叶绿体基因组的编码序列进行中性绘图、ENC-plot分析、PR2-plot分析以及密码子偏好性的影响因素分析，从中得到最优密码子：结果显示：蚕豆线粒体和叶绿体基因组的平均CC含量分别为46.48%和37.16%，密码子第3位碱基的平均GC含量分别为45.43%和2 7.10%；有效密码子数的范围分别为40.40 6 1.0 0 和38.11 51.6 5，平均值分别为53.75和45.0 6；线粒体和叶绿体基因组中RSCU1的密码子各有2 9 个和30 个，其中以A/U结尾的各有2 3个和29个，以C/G结尾的各有6 个和1个.中性绘图分析显示，线粒体和叶绿体GCi2与GCs之间的相关系数分别为0.37 4和0.145，相关性不具有统计学意义（P0.05）,回归系数分别为0.2 55和0.32 7;ENC-plot分析显示，大部分基因与标准曲线的距离较远;PR2-plot分析显示，碱基在使用频率方面UA、G C,说明蚕豆细胞器基因组密码子的偏好形成主要受到自然选择的影响.有39 个密码子既满足高频率也满足高表达的条件，属于最优密码子，仅有1个CUA是线粒体和叶绿体共有的最优密码子.同线粒体基因组相比，蚕豆中叶绿体基因组比线粒体基因组更易受到自然选择的影响。关键词：蚕豆；叶绿体；线粒体；基因组；密码子偏好性；最优密码子中图分类号：Q943.2Aanlysis of usage of codons in organelle genomes of Vicia faba L.BAO Guoyuan,QI Leping,MA Juan,YANG Xinguang,WANG Jiuli.?(1.The College of Ecological Environment and Resources,Qinghai Minzu University,Xining 810007,China;2.Key Laboratory of ResourceChemistry and Eco-environmental Protection in Qinghai-Tibet Plateau,Qinghai Minzu University,Xining 810007,China)Abstract:In order to explore the codon usage pattern of organelle genome in Vicia faba L,Codon W 1.4.2 and CUSP softwarewere used to analyze the coding sequences of the mitochondrial and chloroplast genomes of V.faba by neutral mapping,ENC-plot and PR2-plot analysis,as well as the influencing factors of codon preference,from which the optimal codon was obtained.The results showed that the average GC content of the mitochondrial and chloroplast genomes of V.faba was 46.48%and37.16%,respectively,and the average GC content of the third codon base was 45.43%and 27.10%,respectively.The effectivecodon numbers ranged from 40.40 to 61.00 and 38.11 to 51.65,with mean values of 53.75 and 45.06,respectively.There were29 and 30 codons with RSCU 1,among which 23 and 29 codons had A/U endings,and six and one codon had C/G endings,respectively,in mitochondrial and chloroplast genomes.Neutral mapping analysis showed that the corelation coefficientbetween GCi2 and GCs was 0.374 in chloroplast,and was 0.145 in mitochondrion,and the regression coefficient was 0.255 inchloroplast and O.327 in mitochondrion.The ENC-plot analysis showed that most genes were far away from the standard curve.PR2-plot analysis showed that the base use frequency was U A and G C,indicating that the codon preference formation oforganelle genome in V.faba was mainly influenced by selection among various factors.Thirty-nine codons met the conditions ofhigh frequency and high expression,and only one GUA was the optimal codon shared by mitochondrion and chloroplast.It wasfound that chloroplast genome was more susceptible to natural selection than mitochondrial genome.Keywords:Vicia faba L.;chloroplast;mitochondrion;genome;codon bias;optimal codon文献标志码：A文章编号：16 7 1-1114(2 0 2 3)0 6-0 0 0 6-0 9收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 3基金项目：青海民族大学项目（2 0 2 2-JYQN-002，2 0 2 1XJG 17）；2 0 2 3年中央科研创新平台建设项目-青海省林业草原生态系统功能维护及可持续开发利用科研创新团队（30 16 0 10 1141)；青海省“高端创新人才千人计划 项目.第一作者：包国媛（1997 一），女，硕士研究生。通信作者：王久利（1991一），男，副教授，主要从事植物多样性方面的研究.E-mail：98 3117 40 4 q.c o m第43 卷第6 期蚕豆（Viciafaba.L)在世界豆类中占有重要地位，具有较高的食用价值.蚕豆果实富含淀粉和蛋白质，氨基酸种类齐全，还含有丰富的矿物质镁、磷、硒等，同其他植物性食物相比，蚕豆中脂肪含量较少且可提供人体生活所需的多种元素.传统医学认为蚕豆具有健脾、降血脂的功效，蚕豆叶可用于止血和解毒叫蚕豆由于具有较高的单宁和Vc含量，其营养水平和加工品质受到一定程度的限制.农业生产上通过育种可提高蚕豆的营养价值2，常用育种方法有纯合品系法、人工杂交育种、生态育种等，目前研究发现，线粒体和叶绿体工程育种也是可行的途径3-4.叶绿体和线粒体都是绿色植物细胞中的半自主细胞器,具有能量转化的功能,在遗传上都具有相对独立的稳定性,含有少量 DNA,并且与细胞质遗传有关，具有能独立遗传的基因组.与其他细胞器相比，叶绿体基因组相对较小,通常只有几十至几百个基因回，叶绿体基因组在进化过程中的变化速率相对较快，但也具有较高的结构保守性7.线粒体基因组具有重排进化快、叶绿体DNA插人等结构特点8.相对于植物全基因组和叶绿体基因组，植物线粒体基因组的密码子使用模式研究尚不充分9.近年来细胞器基因组的密码子使用情况引起了广泛关注，已针对石竹属（Di-anthus)、苹果属（Malus)叫玉兰属（Yulania)12、癫屑化松萝（Usnea lapponica)3、莴苣(Lactuca sativa)4等进行了深入研究.密码子是自然界中遗传信息准确识别和传递的基本载体5,编码同一种氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous codon)1,在遗传和变异的过程中密码子偏好性在自然界中起着重要作用15在蛋白质翻译过程中,每个氨基酸对应的某一同义密码子的使用频率高于其他同义密码子的使用频率，即为密码子偏好性（codon usage bias)17.翻译过程中,每个氨基酸相对应同义密码子的使用频率不同，物种存在着自身特有的进化方式，根据该方式偏向于使用某一特定密码子,从而形成该物种特有的使用模式8,密码子使用模式会影响特定基因的表达水平和功能19密码子偏性强，说明该物种趋向于使用特定的密码子,这可能会导致其生物体中的某些基因具有更高的表达水平.由于特定密码子在翻译过程中的结合能力更强，因此它们在翻译过程中的翻译速率和效率也更高，可能会导致更高的表达水平2 0 1.随着测序技术的不断发展，许多生物的基因组序列逐渐被揭示出来.对这些序列进行分析,结果表明生物的密码子使用模式受多种因素的影响,包括碱基突变、自然选择等19.2 1在长时间的进化过程中,这些因素可能会导致一些物包国媛，等：蚕豆细胞器基因组密码子的使用情况分析数进行相关性分析.1.3中性(neutrality plot)绘图分析以蚕豆细胞器基因组GC,和 GCz的平均值(GCi2)为纵坐标，以GC3为横坐标绘制散点图，其中每个散点代表1个基因,以此判断密码子使用偏好性受自然选择和突变压力影响的程度2 3.若GC3与 GC12呈显著相关关系，说明碱基组成无差异，突变是其主要影响因素;反之则说明基因组中GC含量有较高保守性，自然选择对密码子使用偏好性有较大影响2 4,1.4ENC-plot分析ENC-plot绘图分析包含散点图和标准曲线，其中，标准曲线代表无选择压力存在时密码子偏好性完全由突变决定，即完全由核酸序列组成决定密码子7种出现密码子偏好性的变化，从而影响到相关基因的表达和功能.因此，深入研究密码子的使用规律对于理解生物进化和遗传的调控机制具有重要意义.本研究对蚕豆线粒体和叶绿体基因组密码子的使用模式及使用偏好性进行了比较和分析，筛选出最优密码子.研究旨在为蚕豆线粒体和叶绿体基因组研究提供参考，并有助于优化其基因表达和工程设计1材料与方法1.1蚕豆细胞器基因组序列的获取从NCBI数据库(https:/www.ncbi.nlm.nih.gov)中下载蚕豆线粒体基因组和叶绿体基因组序列（GenBank登录号分别为KC189947.1和KF042-344.121）,基因组序列全长分别为58 8 0 0 0 bp和12 37 2 2 bp.为了提高密码子偏好性分析的准确性，从完整序列中提取编码序列(coding sequence,CDS)或开放阅读框(open readingframe,ORF),剔除长度小于30 0 bp的序列,保留重复基因中的一个，去除非ATG作为起始密码子的序列，删掉异常终止密码子和CDS内部存在终止密码子的序列.将筛选后得到的线粒体基因组的12 9 个CDS(或ORF)和叶绿体基因组的49 个CDS序列作为后续分析的样本。1.2密码子碱基组成分析分别将符合条件的序列整合到一个fasta文件中，利用CodonW1.4.2软件和CUSP在线软件对筛选后的蚕豆CDS序列进行分析,根据perl 脚本计算每个基因的密码子数量（codonnumber,CN）、G C含量（分别为GCGC2GC3GC3s）及3位碱基的CC平均含量(GCal）、有效密码子数（effective number ofcodon,ENC）同义密码子相对使用度（relative synonymous codon usage，RSCU).采用SPSS18.0软件对密码子偏好性相关参8偏性2 5.根据公式（1)计算ENC期望值（ENCep）,以GC3为横坐标、ENCep为纵坐标绘制标准曲线.根据公式(2)计算ENC 比值,可以更直观地判断密码子偏性的主要影响因素.ENC的取值范围为2 0 6 1,数值越接近2 0 偏性越强,ENC值为6 1时说明每个密码子被均匀使用2 0 ENCep=2+GC3+29/GC?+(1-GC,)ENC比值=(ENCexp-ENCols)/ENCexp式(2)中：ENCobs为ENC实际值.1.5PR2-plot 分析分析各密码子第3位上的A、T、C、G 含量，以G3/(G;+Cs)为横坐标、As/As+T)为纵坐标进行PR2-plot分析，衡量第3位碱基组成的使用偏性.当第3位碱基使用频率 A=T、C=G 时,密码子无使用偏性;若偏离中心,由中心点(A=T,G=C)发出的矢量表示该密码子偏移的程度和方向2 7 .1.6最优密码子的确定以蚕豆每个基因的ENC值为参考，分别从两端各选取10%的基因建立高低偏性库，将高低偏性库之间同义密码子相对使用度的差值(RSCU)0.08的密码子作为高表达密码子，将RSCU值 1的密码子作为高频密码子，同时满足上述2 个条件的定义为最优密码子2 8 2结果与分析2.1蚕豆密码子特征分析使用CodonW1.4.2和CUSP软件分析蚕豆线粒体基因组密码子偏性相关参数,结果发现，考虑所有ORF时，所有CDS密码子的平均GC含量为46.48%，GCiGCz.GC3、G C3s 的GC含量分别为48.8 9%、45.12%45.43%、45.6 3%；不考虑所有ORF时，所有CDS密码子的平均GC含量为42.55%，GCI、G C2、G C3、G C3s 的GC含量分别为47.2 5%、42.51%37.8 9%、38.14%.对叶绿体基因组密码子偏性相关参数进行分析，结果发现，所有CDS密码子的平均GC含量为37.16%,GC1、GC2、G C3、G C3s 的GC含量分别为46.11%、38.2 7%、27.10%、7.0 7%.由此可知，蚕豆细胞器基因组的GC含量均小于50%.共有146 条序列的ENC45,其中，线粒体12 1条，叶绿体2 5条.线粒体ENC的平均值为53.75，介于40.40 6 1.0 0 之间；叶绿体ENC的平均值为45.0 6,介于38.11 51.6 5之间.对蚕豆细胞器基因组中的密码子参数进行相关性分析,结果如图1所示.天津师范大学学报（自然科学版）密码子数GCIGC2(1)GC3(2)GCalENCCC3s(a)线粒体密码子数GCI密码子数GCiCC2GC3GCalENCGC3s(b)叶绿体图1密码子各位置GC含量、数量与ENC的相关性Fig.1 Correlation analysis of GC content,quantity and ENCvalue at each codon location由图 1(a)可知,蚕豆线粒体基因组的 GCal与GCivGC2、G C,极显著相关(P0.01),GC与GCz、G Cs 极显著相关(P0.01),GC与GCs极显著相关(P0.01);ENC与 GCi极显著相关(P0.05),与GC,显著相关(P0.05),说明ENC与密码子第1位碱基组成密切相关，与密码子数不相关,即基因序列长度对密码子使用偏好性的影响很小。由图1(b)可知,蚕豆叶绿体基因组的 GCal与 GCi、GC2、G C 3极显著相关(P0.01),GCi与GCz极显著相关(P0.05),GC2与GC相关性不显著(P0.05);ENC与GC极显著相关（P0.05).这些结果表明,蚕豆线粒体和叶绿体基因组密码子的使用偏好性受到GC含量、ENC和密码子第1位碱基的影响.其中，蚕豆线粒2023年11月GCGC3sCCCC1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0CC3s1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0第43 卷第6 期包国媛，等：蚕豆细胞器基因组密码子的使用情况分析体基因组密码子的使用偏好性与GC含量密切相关，而叶绿体基因组密码子的使用偏好性则与ENC和GC;密切相关.蚕豆细胞器RSCU分析结果如图2 所示.由图2可以看出，无论是线粒体基因组还是叶绿体基因组，RSCU最大的密码子均为编码亮氨酸Leu的UUA，RSCU最小的密码子也均为编码亮氨酸Leu的CUG.76543210Ala Arg Asn Asp Cys Gln Clu Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Ter Thr Trp Tyr ValCCUCCCGCUCCCCCCICCACCCACCAAUCAUUCUCACGACICCCCAUAUCCUCAACCCAACAAACGACUCCCAAGAAGGACACAUACUAAAAAUCUU注：每一种氨基酸对应的距形左侧为线粒体，右侧为叶绿体.Fig.2 RSCU analysis of amino acids in organelles of V.fabca2.2中中性绘图分析蚕豆细胞器基因组各基因的中性绘图分析结果如图3所示.由图3(a)可以看出，蚕豆线粒体基因组中，GC12的取值范围为35.91%6 1.17%(若不考虑ORF则为36.8 1%51.8 4%），GC3的取值范围为2 7.7 8%6 4.2 9%（若不考虑ORF则为34.59%6 1.0 3%）.GC12与GC3之间的相关系数为0.37 4,回归系数为0.2 55,相关性不显著，表明蚕豆线粒体基因组密码子第1、2 位碱基的70F60Fy=0.354+0.255x50Raj;=0.1404030201000虽然2 个基因组的同义密码子RSCU略有不同,但是差异不大.除了编码甲硫氨酸Met的AUG和编码色氨酸Trp的UGG外,其他氨基酸都有多个密码子.其中，线粒体有2 9个密码子RSCU1,以A/U结尾的各2 3个，C/G结尾的有6 个；叶绿体有30 个密码子RSCU1,以A/U结尾的有2 9 个,C/G结尾的有1个,表明蚕豆细胞器基因组更偏好以A和U结尾.氨基酸UUGUUACCUCUUGCCAUUCUG图2 蚕豆细胞器各氨基酸的RSCU分析突变模式不同于第3位的突变模式，密码子使用偏性受自然选择影响要大于碱基突变.由图3(b)可以看出，蚕豆叶绿体基因组中,GCi2的取值范围为32.32 53.6，GC3的取值范围为19.51 34.6 1.GCi2与GC3之间的相关系数为0.145，回归系数为0.32 7，相关性也不显著.所有基因也落于对角线上方,说明 GC12和 GC,两个变量之间的相关性很弱，细胞器基因组中密码子第3位的GC含量较低，密码子偏好性主要受自然选择的影响.70Fy=0.33+0.327 x60Raj=0.021504030201000.20.4GC3(a)线粒体UCUUCCCCUUCOSAU0.60图3中性绘图分析Fig.3Neutral plot analysisACUUCCIUACICUA0.20.4CC3(b)叶绿体CUUCUICUAUCUC0.6102.3ENC-plot分析蚕豆线粒体和叶绿体基因组的ENC-plot分析结果如图4所示.70r6050403020100070605040ON30201000Fig.4Analysis of ENC-plot由图4可以看出，与线粒体基因组相比，叶绿体基因组的部分基因与标准曲线距离较远，说明线粒体基因组的ENC实际值和预期值要比叶绿体基因组更接近，意味着线粒体基因组密码子偏好性更易受到碱基突变影响；而叶绿体基因组中大部分基因偏离标准曲线，即ENC实际值和预期值之间存在较大差异，说明叶绿体基因的碱基突变并不是影响密码子偏好性的主要因素,可能还受自然选择等因素的影响.对于蚕豆线粒体基因组,大多数基因偏离标准曲线,ENC 比值分布在-0.0 5,0.0 5)区间外的基因多达8 6 个（表1).对于蚕豆叶绿体基因组，大多数基因也偏离标准曲线,ENC比值分布在-0.0 5,0.0 5)区间之外的基因多达41个（表1），这些基因与ENC预期值较远，同线粒体基因组相比,叶绿体基因组更易受到自然选择的影响.虽然线粒体基因组部分基因要比叶绿体基因组更易受到碱基突变的影响，但总体来说蚕豆细胞器密天津师范大学学报（自然科学版）码子偏好性的影响因素还是以自然选择为主,受碱基突变的影响较弱.表1ENC比值分布表Tab.1 Distribution of ENC ratio组中值组限线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体-0.15,-0.05)-0.1-0.05,0.05 00.05,0.15 0.10.15,0.250.20.25,0.350.3Tatal0.20.4GC3(a)线粒体0.20.4GC(b)叶绿体图4ENC-plot绘图分析2023年11月组数组频02090.1580.2210.351290.60.80.60.80928111491.02.4PR2-plot 分析利用PR2-plot分析蚕豆细胞器基因组密码子偏好性的影响因素,结果如图5所示.1.0(L+V)/V0.51.0001.0(L+V)/V0.500图5PR2-plot绘图分析Fig.5 PR2-plot plot analysis如果密码子偏好性完全受突变而不是受选择的影响，那么4种碱基的使用频率均衡.由图5可以看出，蚕豆线粒体和叶绿体中各基因不均匀地分布在4个不同区域。0.020.180.450.160.0410.51.0Gs/(G;+C)(a)线粒体0.5G,/(G;+C3)(b）叶绿体00.180.570.220.0211.0第43卷第6 期蚕豆线粒体基因组总体表现为密码子第3位碱基在使用频率上TA、G C,表明线粒体基因组密码子使用偏好性受碱基突变、自然选择等多种因素共同影响.叶绿体基因组中大部分基因位于平面图的下半部,尤其是右下区域的基因最多，说明在碱基使用频率上UA、G C，表明选择对密码子使用偏好性的影响比随机漂移更为显著.由此可见，在诸多影响因素当中，蚕豆基因组密码子偏好性不仅受到了选择的影响,同时也受到了突变的影响.2.5最优密码子确定通过CodonW1.4.2软件构建蚕豆线粒体和叶绿体的高表达基因库和低表达基因库,计算2 个基因库密码子基酸叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体GCA*GCAGCC*GCCAlaGCGGCUAGA*AGGCGA*ArgCGCCCGCGUAACAsnAAU*GACAspGAU*UGCCysUGU*CAAClnCACGAAGluGAG*GGACCCGlyGGGGGU*CACHisCAU*AUAIleAUC*AUUCUACUC*CUGLeuCUU*UUAUUGAAALysAAC包国媛，等：蚕豆细胞器基因组密码子的使用情况分析体共有的最优密码子。表2 各基因的RSCU值和最优密码子Tab.2RSCU value and optimal codon of each gene高表达基因数3814294GCG3GCU*16AGA51AGG36CGA31CGC13CCG7CGU*15AAC18AAU38GAC*19GAU28UGC*8UGU22CAA*35CAG28GAA*35GAG40GGA*19CCC13GCG21GGU*27CAC13CAU28AUA26AUC35AUU*29CUA*14CUC34CUG16CUU57UUA28UUG25AAA43AAG5811中的RSCU值，结果如表2 所示.由表2 可知，高表达基因库和低表达基因库中的RSCU值存在差异.其中，蚕豆细胞器基因组共有47 个密码子的RSCU0.08,将这47 个密码子均认定为高表达的优越密码子（表中以*、*或*标注）.在高表达基因库中，线粒体基因组的优越密码子以A/U结尾的有17 个,以C/G结尾的有9个;叶绿体基因组的优越密码子以A/U结尾的有15个,以C/G结尾的有6 个.蚕豆细胞器基因组的密码子中共有39个既满足高频率也满足高表达的条件，可视为最优密码子,其中，叶绿体16 个,线粒体2 3个，在最优密码子中仅有GUA为线粒体和叶绿高表达基因RSCU低表达基因数1.771.221.350.3580.14200.74132.008.01.416.01.220.00.511.00.27150.59110.64381.36290.81521.1950.5381.47311.1130.89820.93131.07300.9550.6551.05291.3560.63101.37310.87131.17520.97210.4831.1760.55201.97490.97240.86390.85111.15低表达基因RSCU192934140.70311.74251.81281.12280.84160160.14292.09180.45351.55260.72321.28340.7781.2391.82240.18151.73390.27181.74300.29190.29371.68210.75171.25160.97230.41361.63441.02350.15310.29290.98442.39421.17351.56450.4449ARSCU0.701.331.250.64161.14280.92581.24321.24350.71130.7181.29320.80311.151230.85380.97901.0390.94171.06641.23360.77791.37430.63481.12100.71431.38430.79121.03450.97600.67371.05911.28380.97180.86280.81691.22601.17710.971230.96521.041.070.100.74-1.001.29-0.181.950.761.080.171.180.510.44-0.200.27-1.021.08-0.210.40-0.511.600.510.59-0.161.410.160.69-0.411.310.411.28-0.120.720.121.29-0.440.700.441.33-0.170.28-0.061.19-0.331.190.560.42-0.401.580.400.960.200.590.121.45-0.310.80-0.490.380.310.59-0.261.460.751.27-0.201.50-0.111.41-0.110.590.110.110.290.040.45-0.140.04-0.34-0.44-0.131.010.05-0.050.13-0.130.08-0.080.54-0.540.440.430.410.01-0.900.490.33-0.330.01-0.180.180.220.23-0.300.481.12-0.330.150.1512氮基酸叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体叶绿体线粒体MetAUGUUC*PheUUUCCACCCProCCGCCUAGCAGUUCA*SerUCCUCGUCU*ACAACCThrACGACU*TrpUGGUACTyrUAU*GUA*GUCValGUG*GUU注：*表示ARSCU0.08水平上为高表达密码子；*表示ARSCU0.3水平上为高表达密码子；*表示ARSCU0.5水平上为高表达密码子3讨论密码子偏好性是生物基因组进化的一个重要特征,它与GC含量、tRNA丰度、基因表达水平和蛋白质结构等因素相关2 9.研究密码子偏好性有利于阐明生物进化关系,提高基因表达效率30 .在影响密码子偏好性的诸多因素中,突变和自然选择为主导因素，自然选择可使植物在翻译中优先编码最优密码子，突变会导致植物中出现部分非偏好性密码子31-32 .密码子第3位碱基的同义突变虽不会影响所编码的氨基酸,但仍被认为是决定氨基酸类型的重要特征，对研究密码子偏好性具有重要意义3.本研究中蚕豆细胞器CDS的GC含量在密码子的不同位置呈现不同的分布频率，第1位、第2 位的GC含量均大于第3位的GC含量，线粒体基因组的GC含量大于叶绿体基因组的含量，且大多数碱基都偏好以T(U)/A结尾,表明蚕豆线粒体基因比叶绿体基因的第3位碱基更偏向以A/T(U)结尾,这与同科植物葵藜首(Medicago truncatula)34和紫花首猎(Medicago sativa)以及茄科(Solanaceae)3)等高等植物的密码子3个位置GC含量的比较趋势一致.在密码子第3位碱基的使用上，还表现出T的使用频率高于A的频率,并且G的使用频率高于C的频率,这种偏好特征与灿稻（Oryza sativa)36和籽粒苋天津师范大学学报（自然科学版）续表密码子高表达基因数AUG47UUC34UUU*29CCA25CCC30CCG17CCU*29AGC31AGU*21UCA58UCC22UCG18UCU*35ACA20ACC18ACG.12ACU24UCG28UAC*12UAU30GUA*22GUC17GUG21GUU222023 年11 月高表达基因RSCU低表达基因数221.0091.08460.92180.9981.1980.67311.1541.01330.68131.88110.71140.58511.14211.0830.97140.65171.30211.00130.57421.43221.0750.8321.02171.07低表达基因RSCU1.00310.33361.67581.11160.49230.49181.91240.19241.57190.62300.52240.67162.43171.53170.22291.02141.24151.00130.47201.53341.91140.43350.17231.4832(Amaranthus hypochondriacus)37一致,说明蚕豆细胞器基因组密码子的使用受到了自然选择的影响.采用中性绘图分析显示，蚕豆细胞器GCi2和GC3之间的相关性较弱，密码子第1、2 位碱基的突变模式与第3位不同，说明蚕豆细胞器基因组密码子使用模式主要受自然选择的影响,且叶绿体基因组更易受到选择影响.ENC-plot分析发现蚕豆细胞器的大部分基因偏离标准曲线,ENC实际值和预期值之间存在较大差异，说明碱基突变并不是影响其密码子偏好性的主要因素，可能还受自然选择等因素的影响.采用PR2-plot分析蚕豆细胞器基因组密码子的偏好性,发现只有少部分基因的密码子偏性是由突变主导，而更多的受自然选择影响，且密码子偏好性较弱.线粒体基因组总体表现出密码子第3位碱基使用频率上TA、G C,表明线粒体基因组密码子使用偏好性更易受碱基突变、自然选择等多种因素共同影响.这与玉米(Zeamays)38、大豆（Glycine max)9、金柑（Fortunella japoo-nica)39等植物的研究结果一致.意味着在这些植物的进化过程中，自然选择通过调控密码子的使用来优化基因表达，这在植物进化中十分普遍.杨树(Populusprzewalski)140和拟南芥(Arabidopsis thaliana)4中叶绿体基因组密码子偏好性则主要受突变的影响，表明不同植物密码子偏好性的影响因素也不相同.ARSCU431.00680.77871.23290.79161.14180.89361.19111.11460.88521.38411.11210.74680.78380.91171.5590.75380.80391.00150.74731.26310.54171.35150.88391.231.000.881.121.170.650.731.450.281.161.311.030.531.711.490.670.351.491.000.341.661.220.670.591.5300.31-0.310.200.050.22-0.04-0.10-0.200.50-0.40-0.160.360.17-0.58-0.100.500-0.170.170.53-0.520.14-0.160-0.550.55-0.06-0.16-0.240.46-0.090.41-0.69-0.510.140.720.04-0.450.67-0.2500.13-0.130.69-0.240.42-0.05第43卷第6 期本研究基于RSCU和ENC值筛选出蚕豆线粒体基因组与叶绿体基因组最优密码子分别为2 3个和16个,密码子偏性较弱,且最优密码子以NNA或NNU模式为主，可以优先选用以A或U碱基结尾的最优密码子提高外源基因的表达率.分别计算蚕豆细胞器基因组的12 9条和49条基因的RSCU值,线粒体有2 9个密码子的RSCU1，叶绿体有30 个密码子的RSCU1,这与张扬等14和李显煌等42 的研究结果一致.比较基因组的ENC值，线粒体ENC的平均值为53.7 5,叶绿体ENC的平均值为45.0 6，线粒体基因组的值要高于叶绿体基因组，说明蚕豆叶绿体基因组所有基因编码序列的密码子使用偏好性比线粒体强.此研究结果为后续蚕豆遗传多样性分析和蚕豆品种选育提供了科学依据，通过分析蚕豆细胞器基因组的密码子偏好性，可以更好地了解蚕豆基因的表达规律，为育种提供更适合的方向和策略.参考文献：1 RENNA M,SIGNORE A,PARADISO V M,et al.Faba greens,globeartichokes offshoots,crenate broomrape and summer squash greens:Unconventional vegetables of Puglia(southern Italy)with good qualitytraitsJJ.Frontiers in Plant Science,2018,9:378.2】国家中医药管理局中华本草编委会.中华本草-9M.上海：上海科学技术出版社，1999.Chinese Herbalism Editorial Board,State Administration of TraditionalChinese Medicine of the Peoples Republic of China.Chinese Herbs:9M.Shanghai:Shanghai Scientific&Technical Publishers,1999(inChinese).3 CREPON K,MARCET P,PEYRONNET C,et al.Nutritional value offaba bean(Vicia faba L.)seeds for feed and foodJJ.Field Crops Resea-rch,2010,115(3):329-339