药用真菌茯苓基因组密码子使用偏性分析

doi:10.13304/j.nykjdb.2020.0827

摘要/Abstract

摘要：

为了解药用真菌茯苓基因组密码子使用模式，探讨影响其密码子组成和编码特性的因素，以茯苓核基因组和线粒体基因组数据为研究对象，利用 CodonW、Mega X和EMBOSS等软件对基因密码子使用偏性进行分析，根据中性绘图、奇偶偏性绘图、ENC-plot和对应性分析推测茯苓基因组密码子偏性形成的影响因素。茯苓核基因平均GC含量为57.28%，同义密码子第3位偏好G/C碱基；茯苓核基因密码子偏性主要受选择作用影响，而线粒体基因除了受选择作用影响，还受到较强的碱基突变影响；茯苓核基因部分同义密码子间RSCU值差异较大，高频密码子和最优密码子均以G/C结尾。茯苓核基因密码子偏性较强，进化过程中受到较强的环境和寄主选择作用。与酵母相比，大肠杆菌基因密码子使用模式更接近于茯苓，大肠杆菌可能更适合作为茯苓基因异源表达宿主。上述结果可为茯苓的分子进化及外源基因的转基因研究提供参考。

关键词: 茯苓, 密码子使用偏性, 最优密码子, 选择压力, 线粒体

Abstract:

In order to study codon usage pattern of the genome of Wolfiporiacocos and its influencing factors， based on the nuclear and mitochondrial genome of W. cocos， the codon usage bias was studied using CodonW， Mega X and EMBOSS software. According to neutrality plot， parity rule 2 plot， ENC-GC3s plot and correspondence analysis， the influencing factors of codon bias of W. cocos were evaluated. The average GC content of nuclear genes of W. cocos was 57.28%， and G/C was preferred as the third nucleotide of codon. The analysis of influencing factors showed that the codon bias of nuclear genes of W. cocos were mainly affected by selection， while the mitochondrial genes were affected by mutation and selection effect. The RSCU values of synonymous codons in nuclear genes varied widely. Both of the high frequency codon and the optimal codons of the nuclear genes ended with G/C. The codon bias of nuclear gene was high， and the evolution process was strongly affected by environment and host selection in W. cocos. Compared with yeast， the codon usage pattern of Escherichiacoli was closer to W. cocos， so E. coli might be more suitable for heterologous expression of W. cocos. Above results could provide theoretical basis for the molecular evolution and transgenic research of heterologous genes.

Key words: Wolfiporiacocos, codon usage bias, optimal codon, selection pressure, mitochondrion

中图分类号:

R931

韩利红, 贾欣楠, 陈仁欢, 刘潮. 药用真菌茯苓基因组密码子使用偏性分析[J]. 中国农业科技导报, 2022, 24(1): 83-90.

Lihong HAN, Xinnan JIA, Renhuan CHEN, Chao LIU. Analysis of Codon Usage Bias of the Genome of Medicinal Fungus Wolfiporia cocos[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2022, 24(1): 83-90.

图/表 8

参考文献 25

1	WEINER I， ATAR S， SCHWEITZER S， et al.. Enhancing heterologous expression in Chlamydomonasreinhardtii by transcript sequence optimization ［J］. Plant J．， 2018， 94（1）：22-31.
2	WEI W， SHU S， ZHU W， et al.. The kinome of edible and medicinal fungus Wolfiporiacocos ［J/OL］. Front. Microbiol.， 2016， 7：1495 ［2021-08-16］. .
3	GAO Y， YAN H， JIN R， et al.. Antiepileptic activity of total triterpenes isolated from Poriacocos is mediated by suppression of aspartic and glutamic acids in the brain ［J］. Pharm. Biol.， 2016， 54（11）：2528-2535.
4	程磊，侯俊玲，王文全，等. 我国茯苓生产技术现状调查分析［J］. 中国现代中药，2015，17（3）：195-199.
	CHENG L， HOU J L， WANG W Q， et al.. Investigation and analysis on present situation of Poriacocos production technology in China ［J］. Mod. Chin. Med.， 2015， 17（3）：195-199.
5	周燕丽，卢恒谦，徐立伟，等. 液态发酵茯苓菌丝体形态与产胞内三萜的关系［J］. 食品与生物技术学报，2017，36（6）：635-641.
	ZHOU Y L， LU H Q， XU L W， et al.. Relationship between mycelium morphology and intracellular triterpenoids production of Poriacocos in submerged culture ［J］. J. Food Sci. Biotechnol.， 2017， 36（6）：635-641.
6	金文松，刘文君，李立志，等.16种茯苓菌株液体发酵产胞内多糖与三萜的比较研究［J］. 天然产物研究与开发，2019，31（5）：878-886.
	JIN W S， LIU W J， LI L Z， et al.. Comparative study on the intracellular polysaccharides and triterpenoids produced by 16 Wolfiporiacocos strains with submerged fermentation strategies ［J］. Nat. Prod. Res. Dev.， 2019， 31（5）：878-886.
7	杨云彭，马晓焉，霍毅欣. 密码子优化策略在异源蛋白表达中的应用［J］. 生物工程学报，2019，35（12）：2227-2237.
	YANG Y P， MA X Y， HUO Y X. Application of codon optimization strategy in heterologous protein expression ［J］. Chin. J. Biotech.， 2019， 35（12）：2227-2237.
8	陈乃瑶. 农杆菌介导的茯苓基因沉默体系的建立［D］. 武汉：华中农业大学，2019.
	CHEN N Y. Establishment of agrobacteriummediated gene silening system in Wolfiporiacocos ［D］. Wuhan： Huazhong Agricultural University， 2019.
9	FLOUDAS D， BINDER M， RILEY R， et al.. The Paleozoic origin of enzymatic lignin decomposition reconstructed from 31 fungal genomes ［J］. Science， 2012， 336（6089）：1715-1719.
10	CHEN M， CHEN N， WU T， et al.. Characterization of two mitochondrial genomes and gene expression analysis reveal clues for variations，evolution，and largesclerotium formation in medical fungus Wolfiporia cocos ［J/OL］. Front. Microbiol.， 2020， 11：1804 ［2021-08-16］. .
11	NAKAMURA Y， GOJOBORI T， IKEMURA T. Codon usage tabulated from the international DNA sequence databases ［J/OL］. Nucl. Acids Res.，1998， 26（1）：334 ［2021-08-16］. .
12	SUEOKA N. Translationcoupled violation of parity rule 2 in human genes is not the cause of heterogeneity of the DNA G+C content of third codon position ［J］. Gene， 1999， 238（1）：53-58.
13	WANG Y Z， ZHANG J， ZHAO Y L， et al.. Mycology，cultivation，traditional uses，phytochemistry and pharmacology of Wolfiporiacocos（Schwein.）Ryvarden et Gilb.：a review ［J］. J. Ethnopharmacol.， 2013， 147（2）：265-276.
14	GUO X， BAO J， FAN L. Evidence of selectively driven codon usage in rice： implications for GC content evolution of Gramineae genes ［J］. FEBS Lett.， 2007， 581（5）：1015-1021.
15	刘蒙蒙，邢咏梅，郭顺星. 基于转录组数据分析药用真菌猪苓密码子使用偏好性［J］. 药学学报，2020，55（5）：1050-1055.
	LIU M M， XING Y M， GUO S X. Analysis of codon usage patterns in Polyporusumbellatus based on transcriptome data ［J］. Acta Pharm. Sin.， 2020， 55（5）：1050-1055.
16	唐向民，杨守臻，陈怀珠，等. 栽培大豆和野生大豆线粒体基因组密码子使用偏性的比较分析［J］. 广西植物，2020，40（7）：926-934.
	TANG X M， YANG S Z， CHEN H Z， et al.. Comparative analysis on codon usage bias in mitogenome of two species in genus Glycine ［J］. Guihaia， 2020， 40（7）：926-934.
17	徐苏丽，王俊峰，陈士华. 稻瘟病病菌线粒体基因密码子使用偏好性分析［J］. 河南农业大学学报，2013，47（6）：722-726，756.
	XU S L， WANG J F， CHEN S H. Analysis on codon usage preference of mitochondrial genome of Magaportheorisea ［J］. J. Henan Agric.Univ.， 2013， 47（6）：722-726，756.
18	XU Z， TANG W， XIONG B， et al.. Effect of revulsive cultivation on the yield and quality of newly formed sclerotia in medicinal Wolfiporiacocos ［J］. J. Nat. Med.， 2014， 68（3）：576-585.
19	张瑞芝，陈章宝，陈德敏，等. 球孢白僵菌基因组密码子使用模式及其影响因素分析［J］. 西南大学学报（自然科学版），2018，40（5）：66-74.
	ZHANG R Z， CHEN Z B， CHEN D M， et al.. Codon usage bias（CUB）pattern and its influencing factors for the whole genome of Beauveriabassiana ［J］. J. Southwest Univ.（Nat. Sci.）， 2018， 40（5）：66-74.
20	周显臻，曹支敏，于丹. 落叶松杨栅锈菌基因组密码子使用偏好分析［J］. 菌物学报，2020，39（2）：289-297.
	ZHOU X Z， CAO Z M， YU D. Codon usage bias analyses of the rust fungus Melampsoralaricipopulina genome ［J］. Mycosystema， 2020， 39（2）：289-297.
21	ZHOU Z， DANG Y， ZHOU M， et al.. Codon usage is an important determinant of gene expression levels largely through its effects on transcription ［J］. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2016， 113（41）：E6117E6125.
22	GUSTAFSSON C， GOVINDARAJAN S， MINSHULL J. Codon bias and heterologous protein expression ［J］. Trends Biotechnol.， 2004， 22（7）：346-353.
23	蒋玮，吕贝贝，何建华，等. 草菇密码子偏好性分析［J］. 生物工程学报，2014，30（9）：1424-1435.
	JIANG W， LYU B B， HE J H， et al.. Codon usage bias in the straw mushroom Volvariellavolvacea ［J］. Chin. J. Biotechnol.， 2014， 30（9）：1424-1435.
24	LI N， LI Y， ZHENG C， et al.. Genomewide comparative analysis of the codon usage patterns in plants ［J］. Genes Genom.， 2016， 38（8）：723-731.
25	SHRESTHA A， KHAN A， DEY N. Cistrans engineering： advances and perspectives on customized transcriptional regulation in plants ［J］. Mol. Plant， 2018， 11（7）：886-898.

指标Index	核基因组Nuclear genome		线粒体基因组Mitochondrial genome
指标Index	平均值±标准差 Mean±SE	变化区间 Variation range	平均值±标准差 Mean±SE	变化区间 Variation range
T3s/%	22.87±7.18	0.00~67.86	46.71±9.47^*	18.80~67.94
C3s/%	40.81±8.40	14.29~91.55	17.03±7.33^*	3.74~34.59
A3s/%	20.68±7.42	0.00~56.06	47.57±10.14^*	25.97~73.68
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GC3s/%	63.74±10.74	29.50~100	23.91±10.44^*	4.60~45.30
GC/%	57.28±5.53	39.10~78.30	33.01±6.07^*	21.50~46.70
GC3/%	65.34±10.12	32.14~99.25	24.84±9.33^*	7.83~46.15
GC12/%	53.07±5.08	34.03~78.14	73.49±9.74^*	56.52~95.10
ENC	51.65±7.33	23.75~61.00	43.38±7.61^*	28.85~61.00

指标Index	核基因组Nuclear genome		线粒体基因组Mitochondrial genome
指标Index	平均值±标准差 Mean±SE	变化区间 Variation range	平均值±标准差 Mean±SE	变化区间 Variation range
T3s/%	22.87±7.18	0.00~67.86	46.71±9.47^*	18.80~67.94
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GC/%	57.28±5.53	39.10~78.30	33.01±6.07^*	21.50~46.70
GC3/%	65.34±10.12	32.14~99.25	24.84±9.33^*	7.83~46.15
GC12/%	53.07±5.08	34.03~78.14	73.49±9.74^*	56.52~95.10
ENC	51.65±7.33	23.75~61.00	43.38±7.61^*	28.85~61.00

氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	RSCU				氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	RSCU
氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	Nuc	HEG	LEG	Mit	氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	Nuc	HEG	LEG	Mit
Ala	GCA	0.92	0.34	1.13	1.39	Met	ATG	1.00	1.00	1.00	1.00
	GCC	0.93	1.12	0.90	0.57	Pro	CCA	0.84	0.27	1.06	1.03
	GCG*	1.41	2.31	0.98	0.38		CCC*	1.05	1.60	0.89	0.60
	GCT	0.73	0.23	0.99	1.66		CCG*	1.23	1.85	0.99	0.40
Cys	TGC*	1.33	1.79	1.14	0.66		CCT	0.89	0.28	1.06	1.97
Cys	TGT	0.67	0.21	0.86	1.34	Gln	CAA	0.68	0.18	0.90	1.68
Asp	GAC*	1.22	1.76	1.01	0.40	Gln	CAG*	1.32	1.82	1.10	0.32
Asp	GAT	0.78	0.24	0.99	1.60	Arg	AGA	0.56	0.11	0.96	3.65
Glu	GAA	0.64	0.18	0.86	1.50		AGG	0.75	0.45	0.90	0.45
Glu	GAG*	1.36	1.82	1.14	0.50		CGA	0.72	0.15	0.98	0.98
Phe	TTC*	1.46	1.73	1.23	0.69		CGC*	2.02	3.66	1.30	0.32
Phe	TTT	0.54	0.27	0.77	1.31		CGG*	1.06	1.16	0.92	0.30
Gly	GGA	0.79	0.23	1.05	1.39		CGT	0.88	0.47	0.95	0.30
	GGC*	1.63	2.51	1.22	0.33	Ser	AGC*	1.22	1.63	1.07	0.57
	GGG	0.80	0.83	0.82	0.63		AGT	0.52	0.15	0.72	1.38
	GGT	0.78	0.43	0.91	1.66		TCA	0.79	0.22	1.03	1.41
His	CAC*	1.18	1.77	0.97	0.71		TCC*	1.16	1.60	1.01	0.35
His	CAT	0.82	0.23	1.03	1.29		TCG*	1.38	2.00	1.11	0.25
Ile	ATA	0.48	0.12	0.74	1.11		TCT	0.93	0.41	1.07	2.04
Ile	ATC*	1.68	2.54	1.30	0.45	Thr	ACA	0.88	0.29	1.10	1.55
Lys	ATT	0.84	0.34	0.95	1.44		ACC*	1.06	1.42	0.95	0.44
	AAA	0.54	0.15	0.80	1.81		ACG*	1.35	2.04	1.02	0.31
	AAG*	1.46	1.85	1.20	0.19		ACT	0.71	0.26	0.94	1.70
	CTA	0.51	0.09	0.74	0.88	Val	GTA	0.51	0.11	0.77	1.57
Leu	CTC*	1.96	3.76	1.36	0.21		GTC*	1.52	2.19	1.24	0.34
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	TTA	0.26	0.02	0.51	3.25	Trp	TGG	1.00	1.00	1.00	1.00
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	AAC*	1.26	1.82	1.04	0.43	Tyr	TAT	0.76	0.24	0.98	1.53
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氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	RSCU				氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	RSCU
氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	Nuc	HEG	LEG	Mit	氨基酸 Amino acid	密码子 Codon	Nuc	HEG	LEG	Mit
Ala	GCA	0.92	0.34	1.13	1.39	Met	ATG	1.00	1.00	1.00	1.00
	GCC	0.93	1.12	0.90	0.57	Pro	CCA	0.84	0.27	1.06	1.03
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Glu	GAA	0.64	0.18	0.86	1.50		AGG	0.75	0.45	0.90	0.45
Glu	GAG*	1.36	1.82	1.14	0.50		CGA	0.72	0.15	0.98	0.98
Phe	TTC*	1.46	1.73	1.23	0.69		CGC*	2.02	3.66	1.30	0.32
Phe	TTT	0.54	0.27	0.77	1.31		CGG*	1.06	1.16	0.92	0.30
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	GGG	0.80	0.83	0.82	0.63		AGT	0.52	0.15	0.72	1.38
	GGT	0.78	0.43	0.91	1.66		TCA	0.79	0.22	1.03	1.41
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	AAT	0.74	0.18	0.96	1.57

[1]	王洁1,2,赵阳1,王磊2. 一个新的玉米胞质雄性不育系的获得及鉴定[J]. 中国农业科技导报, 2019, 21(3): 28-33.
[2]	段丽丽,句荣辉,王辉,刘超,罗红霞*,赵新宇. 响应面法优化超临界提取茯苓多糖工艺研究[J]. 中国农业科技导报, 2016, 18(5): 193-199.
[3]	史计1,2,张锐1,石庆华2,张晓1,郭三堆1. 棉花线粒体atp9基因的克隆和转录研究[J]. , 2012, 14(1): 25-32.
[4]	张晓,张锐,侯思宇,史计,郭三堆. 高等植物线粒体基因组研究进展[J]. , 2011, 13(4): 23-31.
[5]	苏爱国1,2,李双双1,王玉美3,雷彬彬1,刘国政1,康定明1,华金平1,2. 植物线粒体结构基因组研究进展[J]. , 2011, 13(3): 9-16.
[6]	侯思宇,张锐,张晓,郭三堆. 棉花细胞质雄性不育与育性恢复研究进展[J]. , 2010, 12(1): 1-7.