Plastomes of the subfamily Cactoideae (Cactaceae): genomic, structural and evolutionary aspects

Abstract

The family Cactaceae represents the greatest lineage of succulent plants, which contains a set of anatomical, morphological, and physiological modifications allowing adaptation and diversification in arid and semi-arid regions. Cactoideae is the richest subfamily in species diversity within Cactaceae. Representative species of this subfamily, such as Melocactus glaucescens, Lepismium cruciforme, and Schlumbergera truncata demonstrate interesting evolutionary aspects. They have different lifestyles and inhabit places with specific environmental conditions. Their distribution varies from a high degree of endemism and risk of extinction, to wide occurrence and status of extensive ornamental cultivation. Therefore, they are notable species to be used in studies related to plastid genomics. Plastid genomics allows analyzing and understanding phylogenetic and evolutionary relationships at the level of family/subfamily, as well as providing molecular markers that can help in conservation of natural resources. Although few cactus species with complete plastid sequences are available, many unusual features have been identified in the plastomes of the family. Thus, to expand the information concerning plastid evolution in Cactaceae, this study aimed at sequencing, assembling and analyzing the plastomes of M. glaucescens, L. cruciforme, and S. truncata. In addition, to provide complete plastome sequences, enabling analysis of plastome structures, frequency of codon usage, phylogeny, nucleotide diversity hotspots, gene divergence, signatures of positive selection, RNA editing sites and mapping of repetitive sequences. According to the data obtained, the plastomes showed several losses of genes and/or pseudogenization, including essential genes. Pseudogenization of the trnT-GGU gene in L. cruciforme was the first loss of gene functionality reported in the family. Moreover, M. glaucescens lost the trnV-GAC, trnV-UAC (common loss to the subfamily Cactoideae), and trnA-UGC genes, the last two being essential for plastid translation and cell survival, which strongly suggest the importation of tRNAs from the cytosol to the plastids in Cactoideae. Concerning plastomic structures, M. glaucescens showed unique rearrangements that culminated in the expansion of the inverted repeat (IRs) regions, the largest in the subfamily, and the duplication of unusual genes. On the other hand, the analysis of the plastomes of L.cruciforme and S. truncata revealed a conserved structure among the tribe Rhipsalideae, with tribe-specific rearrangements and some variations in the size and content of the IRs. Molecular analyses in plastomes of the family Cactaceae was essential to identify high genetic divergence, numerous signatures of positive selection, and polymorphism of RNA editing sites. Furthermore, hundreds of plastid molecular markers were mapped for the three species, which will be useful for accessing the genetic information of natural populations and conservation of species, especially those threatened. Therefore, this study provides new insights into plastid evolution in Cactaceae, which is an exceptional lineage adapted to extreme environmental conditions and a notorious example of atypical plastome evolution. Keywords: Cactaceae. Plastid evolution. Rearrangements. Gene divergence. RNA editing. Plastid molecular markers.

A família Cactaceae representa a maior linhagem de plantas suculentas, as quais possuem uma série de características anatômicas, morfológicas e fisiológicas que permitiram sua adaptação e diversificação em regiões áridas e semiáridas. A subfamília Cactoideae é a mais rica em diversidade de espécies. Representantes desta subfamília, como Melocactus glaucescens, Lepismium cruciforme e Schlumbergera truncata, contêm aspectos evolutivos interessantes. Possuem diferentes estilos de vida e habitam locais com condições ambientais específicas, a distribuição varia desde um alto grau de endemismo e risco de extinção até a ampla ocorrência e status de extenso cultivo ornamental. Assim, são espécies notáveis para estudos em genômica de plastídios, a qual permite analisar e compreender as relações filogenéticas e evolutivas da família, além de fornecer marcadores moleculares plastidiais que auxiliam no acesso e conservação dos recursos naturais. Embora ainda existam poucas espécies de cactos com sequências plastidiais completas disponíveis, muitas características incomuns foram identificadas nos plastomas da família. Dessa forma, visando ampliar as informações sobre a evolução do genoma plastidial de Cactaceae, este estudo teve como objetivo sequenciar, montar e analisar detalhadamente os plastomas de M. glaucescens, L. cruciforme e S. truncata. Além de fornecer as sequências plastidiais completas, foram realizadas análises comparativas das estruturas plastômicas, frequência de uso de códons, inferências filogenéticas, identificação de hotspots de diversidade de nucleotídeos, divergência gênica, predição de sítios de assinatura de seleção positiva e sítios de edição de RNA e mapeamento de sequências repetitivas. De acordo com os dados obtidos, os plastomas apresentaram extensa perda de genes e pseudogenizações, incluindo genes essenciais. A pseudogenização do gene trnT-GGU em L. cruciforme foi a primeira perda de funcionalidade do gene relatada na família. Além disso, M. glaucescens perdeu os genes trnV-GAC, trnV-UAC (perda comum para a subfamília Cactoideae) e trnA- UGC, sendo os dois últimos indispensáveis para a tradução plastidial e sobrevivência celular, sugerindo fortemente a importação de tRNAs do citosol aos plastídios em Cactoideae. Em relação às estruturas plastômicas, M. glaucescens apresentou rearranjos únicos que culminaram na expansão das IRs, a maior da subfamília, e na duplicação de genes incomuns. Por outro lado,a análise dos plastomas de L. cruciforme e S. truncata revelou uma estrutura conservada entre a tribo Rhipsalideae, com rearranjos tribo-específicos e algumas variações no tamanho e conteúdo das regiões invertidas repetidas (IRs). Quanto à análise da evolução molecular na família Cactaceae, foi identificada alta divergência gênica, inúmeras assinaturas de seleção positiva e polimorfismo de sítios de edição de RNA. Além disso, foram mapeados centenas de marcadores moleculares plastidiais para as três espécies, que serão úteis para acessar informações genéticas de populações naturais e na conservação de espécies, principalmente aquelas ameaçadas. Portanto, este estudo fornece novos insights sobre a evolução plastidial em Cactaceae, que é uma linhagem excepcionalmente adaptada a condições ambientais extremas e um notório exemplo de evolução atípica dos plastomas. Palavras-chave: Cactaceae. Evolução plastidial. Rearranjos. Divergência gênica. Edição de RNA. Marcadores moleculares plastidiais.