Chloroplasts are present in organisms belonging to the kingdom Plantae. These organelles are thought to have originated from photosynthetic cyanobacteria through endosymbiosis. During endosymbiosis, most cyanobacterial genes were transferred to the host nucleus. Therefore, most chloroplast proteins became encoded in the nuclear genome and must return to the chloroplast after translation. The N-terminal cleavable transit peptide (TP) is necessary and sufficient for the import of nucleus-encoded interior chloroplast proteins. Over the past decade, extensive research on the TP has revealed many important characteristic features of TPs. These studies have also shed light on the question of how the many diverse TPs could have evolved to target specific proteins to the chloroplast. In this review, we summarize the characteristic features of TPs. We also highlight recent advances in our understanding of TP evolution and provide future perspectives about this important research area.
The chloroplast (cp) is an autonomous plant organelle with an individual genome that codes for essential cellular functions. The architecture and gene content of the cp genome is highly conserved in angiosperms. The plastome of Corydalis belongs to the Papaveraceae family, and the genome is comprised of unusual rearrangements and gene content. Thus far, no extensive comparative studies have been carried out to understand the evolution of Corydalis chloroplast genomes. Therefore, the Corydalis platycarpa cp genome was sequenced, and wide-scale comparative studies were conducted using publicly available twenty Corydalis plastomes. Comparative analyses showed that an extensive genome rearrangement and IR expansion occurred, and these events evolved independently in the Corydalis species. In addition, the protein-coding genes accD and the ndh gene loss events occurred in the common ancestor of the Corydalis and sub-clade of the Corydalis lineage, respectively. The gene ndh lost in the Corydalis-sub clade species is distributed predominantly in the Qinghai-Tibetan plateau (QTP) region. The molecular clock analysis suggests that the divergence time of all the ndh gene lost Corydalis sub-clade species occurred in the 44.31 - 15.71 mya. These results coincide very well with the uplift of the Qinghai-Tibet Plateau in the Oligocene and Miocene periods, and maybe during this period, it probably triggered the radiation of the Corydalis species. To the best of the authors' knowledge, this is the first large-scale comparative study of Corydalis plastomes and their evolution. The present study may provide insights into the plastome architecture and the molecular evolution of Corydalis species.
Large inversions are well characterized in the chloroplast genomes of land plants. In contrast, reports of small inversions are rare and involve limited plant groups. In this study, we report the widespread occurrence of small inversions ranging from 5 to 50 bp in fully and partially sequenced chloroplast genomes of both monocots and dicots. We found that small inversions were much more common than large inversions. The small inversions were scattered over the chloroplast genome including the IR, SSC, and LSC regions. Several small inversions were uncovered in chloroplast genomes even though they shared the same overall gene order. The majority of these small inversions were located within 100 bp downstream of the 3' ends of genes. All had inverted repeat sequences, ranging from 11 to 24 bp, at their ends. Such small inversions form stem-loop hairpin structures that usually have the function of stabilizing the corresponding mRNA molecules. Intra-molecular recombination between the inverted sequences in the stem-forming regions are responsible for generating flip-flop orientations of the loops. The presence of two different orientations of the stem-loop in the trnL-F noncoding region of a single species of Jasminum elegans suggests that a short inversion can be generated within a short period of time. Small inversions of non-coding sequences may influence sequence alignment and character interpretation in phylogeny reconstructions, as shown in nine species of Jasminum. Many small inversions may have been generated by parallel or back mutation events during chloroplast genome evolution. Our data indicate that caution is needed when using chloroplast non-coding sequences for phylogenetic analysis.
Nguyen, Van Binh;Giang, Vo Ngoc Linh;Waminal, Nomar Espinosa;Park, Hyun-Seung;Kim, Nam-Hoon;Jang, Woojong;Lee, Junki;Yang, Tae-Jin
Journal of Ginseng Research
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제44권1호
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pp.135-144
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2020
Background: Panax species are important herbal medicinal plants in the Araliaceae family. Recently, we reported the complete chloroplast genomes and 45S nuclear ribosomal DNA sequences from seven Panax species, two (P. quinquefolius and P. trifolius) from North America and five (P. ginseng, P. notoginseng, P. japonicus, P. vietnamensis, and P. stipuleanatus) from Asia. Methods: We conducted phylogenetic analysis of these chloroplast sequences with 12 other Araliaceae species and comprehensive comparative analysis among the seven Panax whole chloroplast genomes. Results: We identified 1,128 single nucleotide polymorphisms (SNP) in coding gene sequences, distributed among 72 of the 79 protein-coding genes in the chloroplast genomes of the seven Panax species. The other seven genes (including psaJ, psbN, rpl23, psbF, psbL, rps18, and rps7) were identical among the Panax species. We also discovered that 12 large chloroplast genome fragments were transferred into the mitochondrial genome based on sharing of more than 90% sequence similarity. The total size of transferred fragments was 60,331 bp, corresponding to approximately 38.6% of chloroplast genome. We developed 18 SNP markers from the chloroplast genic coding sequence regions that were not similar to regions in the mitochondrial genome. These markers included two or three species-specific markers for each species and can be used to authenticate all the seven Panax species from the others. Conclusion: The comparative analysis of chloroplast genomes from seven Panax species elucidated their genetic diversity and evolutionary relationships, and 18 species-specific markers were able to discriminate among these species, thereby furthering efforts to protect the ginseng industry from economically motivated adulteration.
In this study, the chloroplast (cp) genome sequences from three early diverged leptosporangiate ferns were completed and analyzed in order to understand the evolution of the genome of the fern lineages. The complete cp genome sequence of Osmunda cinnamomea (Osmundales) was 142,812 base pairs (bp). The cp genome structure was similar to that of eusporangiate ferns. The gene/intron losses that frequently occurred in the cp genome of leptosporangiate ferns were not found in the cp genome of O. cinnamomea. In addition, putative RNA editing sites in the cp genome were rare in O. cinnamomea, even though the sites were frequently predicted to be present in leptosporangiate ferns. The complete cp genome sequence of Diplopterygium glaucum (Gleicheniales) was 151,007 bp and has a 9.7 kb inversion between the trnL-CAA and trnV-GCA genes when compared to O. cinnamomea. Several repeated sequences were detected around the inversion break points. The complete cp genome sequence of Lygodium japonicum (Schizaeales) was 157,142 bp and a deletion of the rpoC1 intron was detected. This intron loss was shared by all of the studied species of the genus Lygodium. The GC contents and the effective numbers of codons (ENCs) in ferns varied significantly when compared to seed plants. The ENC values of the early diverged leptosporangiate ferns showed intermediate levels between eusporangiate and core leptosporangiate ferns. However, our phylogenetic tree based on all of the cp gene sequences clearly indicated that the cp genome similarity between O. cinnamomea (Osmundales) and eusporangiate ferns are symplesiomorphies, rather than synapomorphies. Therefore, our data is in agreement with the view that Osmundales is a distinct early diverged lineage in the leptosporangiate ferns.
유럽마가목에서 핵 및 엽록체 유전자의 서열을 이용하여 동의 및 비동의치환율을 산출하였다. 유럽마가목 엽록체 유전자의 서열은 핵 유전자에 비해 평균적으로 움진화가 느리게 일어나고 있음을 나타내었으며 다른 쌍자엽식물과 유사하였다. 핵에서 동의치환율(Ks)은 2.45-2.60이었으며 비동의치환율(Ka=1.15-1.30)보다 약 2배 정도 높았다. 엽록체에서 Ks는 1.20-1.26이었으며 엽록체에서 Ka (0.26-0.42) 보다 약 6배 높았다. 유럽마가목에서 핵 및 엽록체 Ka/Ks은 각각 0.178과 0.056이었다. 이 Ka/Ks의 비율이 1보다 작다는 것은 음의 도태에 있다는 것을 나타낸다. 엽록체 유전자는 유효유전자코돈(ENC)이 22.4-32.2로 핵의 값(35.8-38.7)에 비해 낮았다. G+C 함량 분석에서 엽록체 유전자는 동의코돈 A와 T에 대해 높은 선호성(G+C 함량은 28.4-29.1%에 불과)을 나타낸 반면 핵에서는 G와 C가 더 선호성을 나타내었다(G+C 함량은 63.2-64.2%).
Crossosomatales is a recently recognized order in the rosid II clade with about 64 species in eight morphologically distinct families that have been previously classified in as many as 15 other orders. Phylogenetic relationships among the families and genera within Crossosomatales were investigated using chloroplast atpB, matK, and rbcL sequences employing maximum parsimony, maximum likelihood, and Bayesian methods. The phylogenetic framework was used to examine the patterns of morphological evolution and synapomorphies for subclades within Crossosomatales. The combined data with representative species from all genera in the order strongly supported monophyly of Crossosomatales. Strong support was found for the families in the Southern Hemisphere, in which Aphloiaceae is sister to the clade of (Geissolomataceae, (Ixerbaceae + Strasburgeriaceae)). The sister relationship between the Southern Hemisphere clade and families distributed primarily in the Northern Hemisphere was also supported. As in the previous studies, following relationships were found within the Northern Hemisphere clade: Staphyleaceae is sister to a clade of (Guamatelaceae, (Stachyuraceae + Crossosomataceae)). The pattern analysis indicates that evolutionary pattern of morphological characters is complex, requiring multiple changes within Crossosomatales. Several reproductive traits, such as inflorescence, aril, stigma, and conspicuous protrusion from pollen aperture, corroborate the molecular phylogeny.
Single-copy chloroplast loci are used widely to infer phylogenetic relationship at different taxonomic levels among various groups of plants. To test the utility of chloroplast loci and to provide additional data applicable to hybrid evolution in Musa, we sequenced two introns, rpl16 and ndhA, and two intergenic spacers, psaA-ycf3 and petA-psbJ-psbL-psbF and combined these data. Using these four regions, Musa acuminata Cola(A)- and M. balbisiana Colla (B)-containing genomes were clearly distinguished. Some triploid interspecific hybrids contain A-type chloroplasts (the AAB/ABB) while others contain B-type chloroplasts (the BBA/BBB). The chloroplasts of all cultivars in 'Namwa' (BBA) group came from the same wild maternal origin, but the specific parents are still unrevealed. Though, average sequence divergences in each region were little (less than 2%), we propose that petA-psbJ intergenic spacer could be developed for diversity assessment within each genome. This segment contains three single nucleotide polymorphisms (SNPs) and two indels which could distinguish diversity within A genome whereas this same region also contains one SNP and an indel which could categorize B genome. However, an inverted repeat region which could form hairpin structure was detected in this spacer and thus was omitted from the analyses due to their incongruence to other regions. Until thoroughly identified in other members of Musaceae and Zingiberales clade, utility of this inverted repeat as phylogenetic marker in these taxa are cautioned.
The effects of simetryne on light induced electron transport and phosphorylation in isolated spinach (Spinacia oleracea L.) chloroplasts were investigated in comparison with sencor and DCMU. Simetryne, like sencor and DCMU, completely, inhibited PSII electron transport and phosphoryltion with 10-6 M treatment but did not inhibit PSI electron transport. Interference with the electron transport pathway was evidenced by the greater sensitivity of oxygen evolution and uptake than phosphorylation. The following order of decreasing inhibitory effectiveness was exihibited; DCMU>simetryne>sencor. The photoacoustic technique was also used to monitor the relative photosynthetic activity in the leaves treated with the herbicides (simetryne, sencor or DCMU) in vivo and in vitro. Photoacoustic measurements on intact leaves provide quantitative information on two related aspects of the photosynthetic process, namely, photochemical energy storage and oxygen evolution. The relative photoacoustic signal of leaves treated with the herbicides showed low level in 21 Hz, but high level in 380 Hz and on isolated chloroplasts (both 21 Hz and 380 Hz) in comparison with that of the untreated leaves. These results suggest that some of photochemical energy is converted into the heat owing to the inhibition of electorn transport pathway by the herbicides.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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