Genetic diversity of Rhus chinensis and Eclipta spp. identified by chloroplast genomes

Abstract

붉나무는 옻나무과에 속한 관목으로 아시아 전역에 분포한다. 이 식물은 약용식물과 생태 복원 종으로 사용된다. 또한, 한련초는 국화과에 속하는 약용식물이다. 한련초는 가는잎한련초와 비슷한 외형적 특징과 서식지로 인해 자주 혼합되어 사용된다. 이 식물들을 종내, 종간 수준에서 구분하기 위하여 본 실험에서 붉나무의 중국수집종 엽록체를 분석하였다. 붉나무 중국수집종의 엽록체 서열 길이는 149,094bp 이고, Large Single Copy (97,246bp), Small Single Copy (18,644bp), 그리고 Inverted Repeat (16,602bp)로 이루어져있다. 이 붉나무 엽록체에는 77개의 protein coding genes, 30개의 tRNA genes, 그리고 4개의 rRNA genes를 포함하여 총 111개의 유전자가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 붉나무와 무환자나무목에 속하는 11개 종의 완성된 엽록체 서열을 바탕으로 한 계통학적 분석은 붉나무와 무환자나무목에 속하는 종들간의 관계를 입증하였다. 붉나무의 비교 분석을 통해 종내수준에서 170개의 SNP와 85개의 InDel이 확인되었다. 붉나무의 중국수집종과 한국수집종의 서열간 변이들을 기반으로 종내수준에서 붉나무의 유전적 다양성을 확인할 수 있는 분자 마커 세 개를 개발하였다. 이와 같은 방법으로, 본 실험에서 가는잎한련초의 엽록체도 분석하였다. 가는잎한련초의 엽록체 서열 길이는 151,733bp이고 붉나무와 같은 엽록체의 구조를 갖추고 있다. Large Single Copy, Small Single Copy, 그리고 Inverted Repeat 지역은 각각 83,300bp, 18,283bp, 그리고 25,075bp였다. 가는잎한련초의 엽록체에는 80개의 protein coding genes과 30개의 tRNA genes, 그리고 4개의 rRNA genes들이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 가는잎한련초의 엽록체와 국화과에 속하는 12개의 완성된 엽록체 서열을 대상으로 실시한 계통학적 분석은 가는잎한련초와 국화과에 속하는 식물들의 관계를 확인시킬 수 있었다. 한련초와 가는잎한련초 간의 비교분석을 통해 종간 수준에서 58개의 InDel과 29개의 SNP가 존재하는 것이 확인되었다. 이러한 다형성을 보이는 지역을 기반으로 한련초와 가는잎한련초를 효과적으로 구분할 수 있는 분자마커 6개를 개발하였다. 본 연구에서 완성한 약용식물들의 엽록체 서열들과 종 구별 및 확인을 위해 제작된 분자마커들은 종내 및 종간 수준에서 식물의 올바른 개체 선정에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 향후 유전적 연구에 중요한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

Rhus chinensis is a shrub that belongs to Anacardiaceae family widely distributed in Asia. It is used for medicines and ecological restoration. Also, Eclipta prostsrata is a medicinal herb belonging to Asteraceae family. It is usually confused with Eclipta alba because of their similar morphological features and widely shared habitats. For discrimination of these plants at intra- and inter-species level, we report the complete chloroplast genome of Chinese R. chinensis. The assembled chloroplast genome of R. chinensis is 149,094bp long consisting of a Large Single copy (97,246bp), a Small Single Copy (18,644bp) and Inverted Repeat (16,602bp) regions. A total of 111 genes in chloroplast genome of R. chinensis were revealed including 77 protein coding genes, 30 tRNA genes, and 4 rRNA genes. A phylogenetic analysis of R. chinensis with 11 complete chloroplast genomes in Sapindales order demonstrated the relationship of R. chinensis with other species of Sapindales. A comparative analysis of R. chinensis revealed 170 SNPs and 85 InDels at intra-species level. Based on the sequence variations between Chinese and Korean collections, we developed 3 molecular markers that could identify the genetic diversity of R. chinensis at intra-species level. Likewise, the complete chloroplast genome of E. alba were generated in this study. The assembled chloroplast genome of E. alba is 151,733bp long composed of the same structure as R. chinensis. A Large Single Copy, a Small Single Copy, and Inverted Repeat regions are 83,300bp, 18,283, and 25,075bp long, respectively. Gene annotation revealed 80 protein coding genes, 30 tRNA genes, and 4 rRNA genes. A phylogenetic analysis of E. alba with 12 complete chloroplast genome sequences in Asteraceae family clarified the relationship of E. alba with other species of Asteraceae family. A comparative analysis exhibited 58 InDels and 29 SNPs at inter-species level between E. prostrata and E. prostrata. A total of 6 molecular markers were developed with these polymorphic sites that could successfully distinguish E. prostrata and E. alba. The chloroplast genome sequences of medicinal plants generated in this study and the molecular markers developed for discrimination and authentication will not only sort out the right plant individual or species at intra- or inter-species level but also provide valuable information for further genetic researches.