Analysis of Codon Usage Bias of the Genome of Medicinal Fungus Wolfiporia cocos

doi:10.13304/j.nykjdb.2020.0827

Abstract

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

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

CLC Number:

R931

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Figures/Tables 8

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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
G3s/%	37.70±7.61	1.62~80.24	13.75±7.91^*	0.00~34.30
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
C3s/%	40.81±8.40	14.29~91.55	17.03±7.33^*	3.74~34.59
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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
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Asb	TTG	0.84	0.22	1.07	0.59	Tyr	TAC*	1.24	1.76	1.02	0.47
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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
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Glu	GAG*	1.36	1.82	1.14	0.50		CGA	0.72	0.15	0.98	0.98
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