مطالعه فیلوژنی مولکولی و ساختار پروتئین matk در سوسن چلچراغ (Lilium ledebourii [Baker] Boiss)

ژن کلروپلاستی matk یکی از بهترین ژن های بارکد گیاهی است و از مناسبترین ژن ها برای بررسی روابط فیلوژنتیکی و تکاملی در سطوح گونه تا خانواده معرفی شده است. جنس لیلیوم مهمترین جنس خانواده لیلیاسه با تقریبا 100 گونه است که چندین بار مورد طبقه بندی قرار گرفته است. طبقه بندی این خانواده همواره با مطالعات مورفولوژیکی، کاریولوژیکی و فیلوژنی پیگیری می شود. رویکردهای جدید فیلوژنی مولکولی باعث تغییراتی اساسی در این طبقه بندی شده است. سوسن چلچراغ از گونه های ارزشمند بومی ایران است که به شدت در معرض خطر انقراض قرار دارد. این گونه علی رغم ویژگی های ارزشمندی که دارد، تاکنون در هیچ مطالعه ای با سایر گونه های این خانواده از نظر جایگاه فیلوژنی مورد بررسی قرار نگرفته است. این پژوهش با بکارگیری توالی matk به بررسی جایگاه رده بندی و قرابت ژنتیکی سوسن چلچراغ با 41 گونه دیگر از این جنس پرداخته است.

استخراج DNA با استفاده از کیت Qiagen DNEasy انجام شد. بعد از تایید کیفیت و کمیت DNA، توالی یابی بصورت Real-Time (SMRT) با استفاده از پلتفرم نسل جدید PacBio انجام و توالی کامل ژن matK با استفاده از ابزراهای بیوانفورماتیک استخراج و در پایگاه اطلاعات ژنی NCBI به شماره دسترسی MN557236 ثبت شد. به منطور بررسی روابط فیلوژنتیک، توالی matk 41 گونه دیگر لیلیوم از پایگاه اطلاعات ژنی بدست آمد. همه توالی ها با روش ClustalW و با استفاده از نرم افزار مگا 7 هم ردیف شدند. روش حداکثر درست نمایی جهت رسم درخت فیلوژنی بکار گرفته شد. فاصله ژنتیکی به روش K2P محاسبه شد. میزان حداکثر درست نمایی مرکب الگوی جایگزینی نوکلیوتیدی با استفاده از ماتریس جایگزینی برآورد شد. با استفاده ابزارهای تخصصیFFPred ، InterProScan، TargetP و Phyre2 ساختارهای ثانویهای از قبیل مارپیچ های α، پیچ های β و مارپیچ های تصادفی و ساختار سه بعدی پروتئین مورد بررسی قرار گرفت.

طبق نتایج درخت فیلوژنی، لیلیوم ها به چهار خوشه A، B، C و D تقسیم شدند که گونه ایران در خوشه B قرار گرفت. بر اساس توپولوژی فیلوژنی و همچنین بررسی فاصله ژنتیکی، سوسن چلچراغ بیشترین شباهت را با سه گونه ی Lilium pyrenaicum ، L. ciliatum و L. candidum با ارزش پایداری 97 % داشت. در بررسی بیوانفورماتیکی، در همردیفی این پروتئین درجه بالایی از حفاظت شدگی مشاهده شد. سوسن چلچراغ در جایگاه 271 دارای اسید آمینه آرژینین هست و از این نظر فقط با سه گونه L. pyrenaicum ، L. ciliatum و L. candidum مشابه بود. سایر گونه ها در این جایگاه دارای اسید آمینه لیزین بودند. تفاوت های زیادی در جایگاه های اسید آمینه ای مختلف از جمله در موقعیت های 317، 346، 363، 417 در گونه ها مشاهده شد. بررسی تشابه ساختار دوم توالی matk در سوسن چلچراغ نشان داد که این پروتئین دارای 233 اسیدآمینه در مارپیچ α(51/45 درصد)، 24 اسید آمینه در پیچ β (69/4 درصد) و 156 اسید آمینه در مارپیچ تصادفی (74/30 درصد) است.

پژوهش حاضر برای اولین بار این ژن را در سوسن چلچراغ مورد تجزیه و تحلیل قرار داد و ساختار دو بعدی و موقعیت α هلیکس ها و صفحات β مشخص شد. همچنین مدل ساختار سوم این پروتئین برای نخستین بار ارایه شد. بر اساس توپولوژی فیلوژنی و همچنین بررسی فاصله ژنتیکی، سوسن چلچراغ بیشترین شباهت را با سه گونه ی L. pyrenaicum ، L. ciliatum و L. candidum داشت. به طور کلی، در این تحقیق قرابت سوسن چلچراغ از نظر مولکولی (فیلوژنی، ساختار پروتئین) با دیگر گونه های لیلیوم بررسی شد.