Understanding plastome evolution in hemiparasitic flowering plants

Abstract

Parasitism has independently evolved multiple times in angiosperms. Since this transition from autotrophy to heterotrophy caused a decrease or loss of photosynthetic ability, it suggests some genomic changes in parasite chloroplast (cp) genomes may be predictable. Unlike holoparasitic plants which completely lost the ability to photosynthesize, hemiparasitic plants have varying rates of photosynthetic ability. To better understand plastome evolution in hemiparasitic plants, all (21) cp genomes analyzed to date were investigated. Four newly sequenced cp genomes of Cassytha capillaris, Dendrotrophe varians, Helixanthera parasitica and Macrosolen cochinchinensis were included. Among five lineages of hemiparasites, Cassytha (Lauraceae, Laurales), Cuscuta (Convolvulaceae, Solanales), Krameriaceae (Zygophyllales), Orobanchaceae (Lamiales), and Santalales, 21 taxa belong to one of four lineages: Cassytha, Cuscuta, Orobanchaceae, and Santalales. Cassytha is a genus of ca. 20 obligate hemiparasites and is the only parasitic genus in the order Laurales. The parasitic, herbaceous, and climbing features of the genus distinguish it from autotrophic and woody members of the other Lauraceous genera. The cp genome of Cassytha capillaris (114,951 bp) was determined. The cp genome of four Cassytha species is approximately 25% reduced in size compared to cp genomes of autotrophic Lauraceae species. Cassytha cp genomes are the smallest among the hemiparasitic species which are currently reported. Aside from the fact that one copy of the inverted repeat (IR), which is expected as IRB, is completely lost, there were no inversion events in the cp genome. This suggests the cp genome of Cassytha is in an early stage of reduction after the loss of copy-dependent repair ability between two IRs. Like other parasitic plants, Cassytha has higher sequence diversity in its cp genome than autotrophic angiosperms, and the Cassytha clade was strongly supported in the phylogenetic analysis. Santalales is a large order, with over 2200 species, most of which are root or aerial (stem) hemiparasites. Three cp genomes of Santalales were newly assembled: the cp genome of Dendrotrophe varians (140,666 bp) in the family Amphorogynaceae and the cp genomes of Helixanthera parasitica (124,881 bp) and Macrosolen cochinchinensis (122,986 bp), both in the family Loranthaceae. Santalales cp genomes are slightly or not reduced in size (119-147 kb), similar to other hemiparasitic species, when compared with typical angiosperm cp genomes (120-170 kb). The evolutionary dynamics of contraction are related to various sizes of IRs and indels of genes closest to IR/LSC and IRB/SSC junctions. Structural changes of 21 hemiparasite cp genomes were estimated based on one autotroph cp genome which has a typical structure; six cp genomes have genome rearrangements. Striga hermonthica cp genome has the most diverse structure, and the biggest repeat and largest number of repeats were detected in it. In the examining gene content, the NADH dehydrogenase gene group is the only one among eight functional gene groups that has lost complete functionally in all examined Cassytha, Cuscuta, and Santalales. This supports the idea that the functional loss of ndh genes from the plastome occurs in the initial stage of the evolution of parasitism, but the loss has occurred independently multiple times in angiosperms, while they are not found in some parasites. This suggests that the functional loss of ndh genes is not essential for the transition from autotroph to parasite. The presence or absence of gene loss and pseudogenization has been simply defined in previously published papers, but various gene degradation patterns were confirmed in this study. If the cp genome of closely related taxa is analyzed meticulously, the gene degradation pattern can be an important indicator of parasite cp genome evolution. The correlation between gene content and type of parasitism (obligate/facultative and stem/root parasites) was additionally examined in all hemiparasitic species. A significant correlation was not found with any type of parasitism.;현화식물의 진화에서 기생은 여러 번 독립적으로 기원하였다. 이런 독립 영양에서 종속 영양으로의 이행은 광합성 능력의 감소나 소실을 초래하였고, 이 것은 기생식물 엽록체 유전체에서 변이가 발견될 수 있음을 시사한다. 완전하게 광합성 능력을 소실한 전기생식물과 달리, 반기생식물은 다양한 수준의 광합성 능력을 가진다. 반기생식물의 엽록체 유전체 진화를 이해하기 위하여 현재까지 분석되어 있는 모든(21개) 엽록체 유전체를 조사하였다. 여기에는 새롭게 염기 서열이 결정된 Cassytha capillaris, Dendrotrophe varians, Helixanthera parasitica, Macrosolen cochinchinensis 엽록체 유전체가 포함되었다. 다섯 가지의 반기생식물 계통 중 21개 분류군은 네 가지 계통, 단향목, 새삼속(가지목 메꽃과), 열당과(꿀풀목), Cassytha 속(녹나무목 녹나무과) 중 하나에 속한다. Cassytha 속은 약 20개의 절대기생식물이며 녹나무목 중 유일한 기생 속이다. 이 속은 기생성, 초본성, 덩굴성 특징으로, 독립 영양이며 목본성인 다른 녹나무과 속들과 구별된다. Cassytha capillaris (114,951 bp) 엽록체 유전체 서열이 결정되었다. Cassytha 속 네 개 종의 엽록체 유전체는 독립 영양 녹나무과 종들의 엽록체 유전체보다 약 25% 축소된 크기이다. 이것은 현재까지 보고된 반기생식물 엽록체 유전체 중 가장 작다. IRB에 해당되는 하나의 IR(Inverted repeat) 지역이 완전히 소실되었고 유전체 구조에서 역위(inversion)는 없었다. 이것은 Cassytha 엽록체 유전체가 IR 보존에 있어 상호 IR 간에 복원할 수 있는 능력을 소실한 이후 유전체 축소의 초기 단계에 있음을 시사하다. 다른 기생식물처럼 Cassytha 엽록체 유전체는 독립 영양 현화식물의 엽록체 유전체보다 높은 염기 서열 다양성을 가지며 계통 분석에서 Cassytha 분기군은 강하게 지지된다. 단향목은 큰 목으로 이 목에 2200종 이상이 포함되며 대부분이 숙주의 뿌리나 줄기에 부착하는 반기생식물이다. 단향목에서 세 엽록체 유전체 염기 서열이 결정되었다. Amphorogynaceae 과의 Dendrotrophe varians (140,666 bp), 꼬리겨우살이과의 Helixanthera parasitica (124,881 bp)와 Macrosolen cochinchinensis (122,986 bp)이다. 전형적인 현화 식물 엽록체 유전체(120-170 kb)와 비교하면, 단향목(119-147 kb)은 다른 반기생식물과 유사하게 약간 축소되거나 혹은 축소되지 않은 엽록체 유전체를 가진다. 엽록체 유전체 축소의 진화적 다양성은 IR의 다양한 크기, IR/LSC과 IRB/SSC에 인접한 유전자의 삽입 혹은 소실과 관련되어 있다. 21개 반기생식물 엽록체 유전체의 구조적 변화를 전형적 구조를 가지는 한 독립 영양 식물 엽록체 유전체를 기준으로 조사하였고, 이 중 여섯 개의 엽록체 유전체는 구조적 재배열이 발견된다. Striga hermonthica 엽록체 유전체는 가장 변이가 높은 구조를 가지며 이 유전체에서 가장 큰 크기의 반복 서열과 가장 많은 수의 반복 서열들이 확인되었다. 유전자 조성 조사에서 유전자들을 기능에 따라 여덟 개의 그룹으로 분류하였다. 그 중 NADH 탈수소효소 관련 유전자 그룹은 유일하게 단향목, 새삼속, Cassytha에서 완전하게 기능이 소실되었다. 이 것은 ndh 유전자들의 기능적 소실이 기생식물 엽록체 유전체 진화의 첫 단계임을 지지한다. 그러나 이 소실은 몇몇 기생식물에서는 발견되지 않는다. ndh 유전자들의 소실은 현화식물에서 독립적으로 여러 번 발생된 바 있다. 이는 독립 영양에서 기생으로의 이행을 위해 ndh 유전자들의 소실이 필수적이지 않음을 제시한다. 이전에 보고된 연구에서 유전자 소실과 가유전자화가 존재 유무로 단순하게 정의되었으나 본 연구에서는 다양한 유전자 소실 유형이 확인되었다. 만약 근연 분류군들의 엽록체 유전체가 면밀하게 분석된다면 유전자 소실 유형은 기생식물 엽록체 유전체 진화에 중요한 지표가 될 수 있다. 추가적으로, 모든 반기생식물에서 유전자 조성과 기생의 유형(절대/조건부 기생과 줄기/뿌리 기생)간의 관계를 조사하였고 이들간의 유의미한 상관관계는 확인되지 않았다.