楸樹葉綠體基因組密碼子偏性分析

李鳳 辛靜 辛雅萱 肖遙 屈亞亞 王軍輝 麻文俊 辛培堯

摘要：【目的】分析楸樹葉綠體基因組密碼子使用偏性，為楸樹乃至梓屬植物葉綠體基因組學(xué)、物種進(jìn)化特征及遺傳多樣性分析等研究提供理論依據(jù)?！痉椒ā坷肅odon W 1.4.2及EMBOSS expiorer的cusp和chips軟件對(duì)51個(gè)楸樹葉綠體基因的編碼區(qū)（CDS）序列進(jìn)行密碼子相關(guān)參數(shù)、中性繪圖、ENC-plot和PR2-plot等分析，并通過(guò)構(gòu)建高、低表達(dá)偏性基因庫(kù)，以ENC值和RSCU值為參考標(biāo)準(zhǔn)，最終篩選最優(yōu)密碼子。【結(jié)果】51個(gè)基因密碼子的平均GCall含量為38.48%，密碼子不同位置GC含量為：GC1（47.03%）>GC2（39.93%）>GC3（28.09%），說(shuō)明第3位的GC并非均勻分布;ENC為34.93～56.50，平均為46.87。GC2與GC1呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而GC3與GC1和GC2無(wú)顯著正相關(guān)（P>0.05）;ENC與GCall、GC1、GC3和N均呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同）;密碼子數(shù)（N）與GC3和ENC呈顯著正相關(guān)。RSCU>1的密碼子共有30個(gè)，其中，以A或U結(jié)尾的密碼子有29個(gè)。中性繪圖分析結(jié)果顯示，GC3與GC12相關(guān)系數(shù)為0.0188，二者無(wú)顯著相關(guān)性，回歸系數(shù)為0.143。ENC-plot分析結(jié)果顯示，大部分基因偏離了ENC預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)曲線，少數(shù)分布在預(yù)期曲線附近;有7個(gè)密碼子分布在GC3含量-0.05～0.15區(qū)間，其余區(qū)間共有44個(gè)密碼子，而這44個(gè)基因離ENC標(biāo)準(zhǔn)曲線較遠(yuǎn)。PR2-plot分析結(jié)果顯示，落在中線上的基因較少，平面圖右下方的基因分布較多，表明在各堿基使用頻率方面存在偏性，即T>A，G>C。各堿基使用頻率存在偏性（T>A，G>C），說(shuō)明基因組密碼子的偏性更多受選擇效應(yīng)的影響。最終篩選出7個(gè)為最優(yōu)密碼子UUU、CUU、CCU、AAA、GAU、CGA和GGU?！窘Y(jié)論】楸樹葉綠體基因組密碼子偏性較弱，偏好使用A或U結(jié)尾的密碼子，主要受選擇壓力的影響，受突變等其他因素影響較小。

關(guān)鍵詞： 楸樹;葉綠體基因組;密碼子偏好性;最優(yōu)密碼子

中圖分類號(hào)：S792.99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2021）10-2735-09

Abstract：【Objective】Analyzed the codon usage bias of Catalpa bungei C. A. Mey. chloroplast genome to provide theoretical basis for the research of C. bungei and even Catalpa chloroplast genomics，species evolution characteristics and genetic diversity analysis. 【Method】Codon correlation parameters，neutral plots，ENC-plot and PR2-plot were analyzed for 51 chloroplast gene coding regions （CDS） sequences of C. bungei by Codon W 1.4.2 and cusp and chips of EMBOSS expiorer. And through the constitutive high and low expression-biased gene library， ENC value and RSCU value were used as reference criteria to screen the optimal codon. 【Result】The average GCall content of 51 gene codons was 38.48%，and GC content at different positions of codons was as follows： GC1（47.03%）>GC2（39.93%）>GC3（28.09%），indicating that GC at the third position was not evenly distributed. ENC ranged from 34.93 to 56.50，with an average of 46.87. GC2 was extremely significantly positively correlated with GC1 （P<0.01），while GC3 was not significantly positively correlated with GC1 and GC2 （P>0.05）.? ENC was significantly positively correlated with GCall，GC1，GC3 and N （P<0.05，the same below）.? The codon number （N） was positively correlated with GC3 and ENC. There were 30 codons with RSCU>1，among which 29 codons ended in A or U. Neutral plot analysis results showed that the correlation coefficient between GC3 and GC12 was 0.0188，and there was no significant correlation between them，and the regression coefficient was 0.143. ENC-plot analysis showed that most of the genes deviated from the ENC expected standard curve，and a few were distri-buted near the expected curve. There were 7 codons distributed in the range of GC3 content from -0.05 to 0.15，and there were 44 codons in the other regions，which were far from the ENC standard curve. PR2-plot analysis results showed that fewer genes fell on the middle line，and more genes were distributed in the lower right part of the graph，indicating that there was a bias in the use frequency of each base，namely T>A，G>C.There was bias （T>A，G>C） in the use frequency of each base，indicating that the bias of the genome codon was more influenced by the selection effect. Finally，7 optimal codons were selected as UUU，CUU，CCU，AAA，GAU，CGA and GGU. 【Conclusion】The chloroplast genomes of C. bungei show weak codon bias，preferring to use codons ending in A or U，which is mainly affected by selection pressure and less affected by mutation and other factors.

Key words：Catalpa bungei C. A. Mey.; chloroplast genome; codon bias; optimal codons

Foundation item： Fundamental Research Funds for the Central Public Welfare Research Institutes（CAFYBB2017 ZA001-8）

0 引言

【研究意義】楸樹（Catalpa bungei C. A. Mey.）是紫葳科（Bignoniaceae）梓屬（Catalpa Scop）落葉喬木，原產(chǎn)我國(guó)，分布范圍較廣，主產(chǎn)地為黃河流域和長(zhǎng)江流域，素有“木王”之美稱，其材質(zhì)不翹不裂，用途廣泛，樹體高大挺拔，樹姿優(yōu)美，集用材、觀賞、環(huán)保和醫(yī)用價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)于一身，是我國(guó)特有的優(yōu)質(zhì)、藥用和園林觀賞樹種（吳麗華等，2010）。葉綠體基因組不同于細(xì)胞核中的基因組DNA，通常是雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不與蛋白質(zhì)結(jié)合，擁有一套完整的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)（辛雅萱等，2020），其結(jié)構(gòu)保守，并包含了長(zhǎng)、短單拷貝區(qū)（LSC和SSC）和2個(gè)反向重復(fù)區(qū)（IR）共4個(gè)大片段，這些特性有利于分析葉綠體基因組。目前葉綠體基因組已廣泛用于分子進(jìn)化、生物多樣性分析、DNA條形碼、系統(tǒng)發(fā)育和遺傳表達(dá)等研究領(lǐng)域（倪梁紅等，2015;范李強(qiáng)等，2018）。研究表明，同義密碼子在無(wú)任何自然選擇和基因突變等壓力影響的情況下以同樣的概率出現(xiàn)，但如果受到影響則會(huì)導(dǎo)致同義密碼子的偏性使用，被稱為密碼子使用偏性（Codon usage bias，CUB），該現(xiàn)象廣泛存在于生物中（吳憲明等，2007;吳妙麗等，2019;王艷等，2021）。研究葉綠體密碼子偏性可為葉綠體基因工程相關(guān)研究打下基礎(chǔ)（季凱凱等，2020）。因此，分析楸樹葉綠體基因組密碼子使用偏性，確定密碼子的使用模式及其形成因素，對(duì)楸樹乃至梓屬植物葉綠體基因組學(xué)、物種進(jìn)化特征及遺傳多樣性分析等研究具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】大量研究證實(shí)，不同物種的葉綠體基因組密碼子偏性因物種而不同（原曉龍等，2021），但相同物種或者親緣關(guān)系較近的物種之間的密碼子使用偏性相似（王英等，2020）。葉綠體基因組密碼子使用偏性影響的因素除了受選擇壓力和自然壓力外，tRNA豐度（Moriyama and Powell，1997）、mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)（Gu et al.，2004）、外源基因堿基突變（Hershberg and Petrov，2008）及在寄主中的表達(dá)水平（武立偉等，2020）、蛋白表達(dá)效率和準(zhǔn)確性（Lee et al.，2009;Brandls and Hughes，2016）等均會(huì)影響密碼子使用偏性的產(chǎn)生。目前分析密碼子的使用偏性、篩選最優(yōu)密碼子及通過(guò)優(yōu)化密碼子來(lái)提高外源基因在宿主中的表達(dá)水平方面的研究較多（Stephen et al.，2013;Deng et al.，2020），如余桂容等（2015）通過(guò)密碼子優(yōu)化提高蘇云金芽胞桿菌（Bt）cry1Ah基因在轉(zhuǎn)基因玉米中的表達(dá)水平;王超等（2020）對(duì)朝倉(cāng)花椒（Zanthoxylum piperi-tum DC.var. inerme Makino）基因的密碼子使用偏性進(jìn)行分析，確定花椒基因使用偏性較高的密碼子，通過(guò)優(yōu)化密碼子的方式提高花椒基因在物種內(nèi)的表達(dá)水平;柳燕杰等（2020）通過(guò)分析美國(guó)紅梣（Fraxinus pennsylvanica Marsh）葉綠體基因組密碼子使用模式及影響密碼子使用偏性的因素，確定其密碼子偏性和最優(yōu)密碼子，從而預(yù)測(cè)基因的表達(dá)水平，確定未知基因的位置和改良外源基因。隨著葉綠體的基因工程在優(yōu)良品種繁育和種質(zhì)資源保護(hù)中的作用日益凸顯，且大量物種的葉綠體基因組序列相繼公布，對(duì)不同物種的葉綠體基因組的研究日益增多（梁璇等，2021）。近年來(lái)，對(duì)葉綠體基因組密碼子偏性已在酸棗（Ziziphus jujuba）（胡曉艷等，2019）、巴山木竹（Arundinaria fargesii）（吳妙麗等，2019）、印度簕竹（Bambusa bambos）（吳妙麗等，2019）、杜梨（Pyrus betulifolia）（辛雅萱等，2020）等多種植物中進(jìn)行研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我國(guó)楸樹在優(yōu)良新品系的選擇（麻文俊等，2012）、抗旱脅迫的評(píng)價(jià)（董蕾等，2014）及規(guī)模化繁育（孟路等，2020）等方面的研究已較成熟。雖然楸樹葉綠體基因組的測(cè)序現(xiàn)已完成，但未見(jiàn)有關(guān)楸樹密碼子偏性的研究報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用Codon W 1.4.2及EMBOSS expiorer的cusp和chips軟件對(duì)楸樹葉綠體基因組密碼子的使用偏性進(jìn)行相關(guān)分析，從而確定最優(yōu)密碼子及密碼子偏性的主要影響因素，旨在為楸樹的遺傳變異及基因組學(xué)的研究提供強(qiáng)有力的分子理論依據(jù)。

1 材料和方法

1. 1 序列的獲取和篩選

從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)（http//www.ncbi.nlm.gov/）中下載楸樹葉綠體基因組序列（GenBank登錄號(hào)為MT610898，序列全長(zhǎng)158238 bp），經(jīng)篩選共獲得84個(gè)基因的編碼區(qū)（CDS）序列。為了降低因序列較短而造成的誤差，從84個(gè)基因序列中去除重復(fù)序列、長(zhǎng)度小于300 bp的序列及內(nèi)部含有終止密碼子和不完整的序列，最終獲得起始密碼子為ATG，終止密碼子為TAA、TGA和TAG的51個(gè)基因序列，用于后續(xù)序列分析。

1. 2 密碼子相關(guān)參數(shù)計(jì)算

通過(guò)Codon W 1.4.2分析51個(gè)基因序列，并獲取其相對(duì)同義密碼子使用度（RSCU）（即某一特定密碼子所編碼氨基酸時(shí)的所有密碼子相對(duì)使用次數(shù)），把RSCU作為判斷密碼子是否存在偏性的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)RSCU=1時(shí)，證明該密碼子使用上無(wú)偏性;RSCU>1時(shí)，則表明其使用頻率相對(duì)較高，存在偏性（牛元等，2018;胡振民等，2020）。利用EMBOSS expiorer中的cusp軟件分析不同基因序列的GC1、GC2、GC3（分別代表密碼子第1位、第2位和第3位的GC含量）和GCall（密碼子總GC含量）含量;并用EMBOSS expiorer中的chips軟件分析有效密碼子數(shù)（ENC）（即密碼子非均衡使用的偏好程度），ENC的取值范圍為20～61（馮瑞云等，2019）。最后，使用SPSS 21.0作相關(guān)分析。

1. 3 中性繪圖分析

根據(jù)不同基因密碼子的GC3含量和GC12含量[即GC12=（GC1+GC2）/2]進(jìn)行中性繪圖，從而分析判斷影響密碼子偏性形成的因素（王鵬良等，2018）。若GC3與GC12相關(guān)性強(qiáng)，則說(shuō)明突變壓力對(duì)密碼子3個(gè)位置的堿基的使用影響較大;若GC1、GC2與GC3相關(guān)性弱，則表明選擇壓力對(duì)密碼子使用影響較大（秦政等，2018;惠小涵等，2020）。

1. 4 ENC-plot繪圖分析

根據(jù)不同基因密碼子的GC含量和ENC，利用ENC-plot制作散點(diǎn)圖，并計(jì)算ENC的標(biāo)準(zhǔn)曲線，公式為：ENC=[29GC32+（1?GC3）2]+GC3+2，從而分析突變壓力在密碼子使用過(guò)程中的作用（尹為治等，2020）。如果各基因分布在ENC預(yù)期曲線的周圍，說(shuō)明葉綠體基因組密碼子的使用偏性受突變壓力的影響較大，而如果各基因分布在ENC預(yù)期曲線的下方或偏離預(yù)期曲線，則表明葉綠體基因組密碼子的偏性受到選擇壓力的影響較大（王鵬良等，2018）。

1. 5 PR2-plot繪圖分析

為了探究不同基因密碼子第3位堿基的嘌呤與嘧啶之間的突變壓力是否平衡，即A、T與G、C之間均衡分布的情況，對(duì)由同義密碼子編碼的氨基酸第3位上A、T、C、G 4種堿基組成情況進(jìn)行PR2-plot繪圖分析（金剛，2019），以確定楸樹葉綠體基因組密碼子偏性的影響因素。其中，以G3/（G3+C3）、A3/（A3+T3）分別為橫、縱坐標(biāo)，PR2偏倚圖的中心（0.5，0.5）表示A=T且C=G（宋輝等，2015）。其余點(diǎn)由中心點(diǎn)向該點(diǎn)發(fā)出的矢量表明基因的偏倚程度及方向（陸奇豐等，2020）。

1. 6 最優(yōu)密碼子分析

為了選出楸樹葉綠體基因組中的最優(yōu)密碼子，利用Codon W 1.4.2計(jì)算每個(gè)密碼子的RSCU，把RSCU>1的密碼子定義為高頻密碼子。以5個(gè)基因的ENC作為偏性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行從小到大排序，取前后兩端10%基因（前后各5個(gè)基因）構(gòu)建高、低表達(dá)偏性基因庫(kù)。兩組間的差值ΔRSCU≥0.08（ΔRSCU=RSCU高表達(dá)- RSCU低表達(dá)）的密碼子作為高表達(dá)優(yōu)越密碼子，最終將同時(shí)滿足RSCU>1和ΔRSCU≥0.08的密碼子作為楸樹葉綠體基因組的最優(yōu)密碼子（胡莎莎等，2016）。

2 結(jié)果與分析

2. 1 密碼子堿基組成及偏好性分析

由表1可知，51個(gè)基因密碼子的平均GCall含量為38.48%，平均GC1、GC2和GC3含量分別為47.03%、39.93%和28.09%，即GC3含量明顯低于GC1和GC2含量，說(shuō)明第3位的GC并非均勻分布，分布趨勢(shì)為GC1>GC2>GC3?？梢?jiàn)，密碼子第3位以A或U（T）結(jié)尾的頻率高于以G或C結(jié)尾的頻率。51個(gè)基因的ENC為34.93～56.50，平均為46.87，說(shuō)明楸樹葉綠體基因組的密碼子偏性較弱。

對(duì)楸樹葉綠體基因的密碼子數(shù)量（N）、ENC和各密碼子的GC含量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示。GC2與GC1呈極顯著正相關(guān)（P<0.01，下同），而GC3與GC1和GC2無(wú)顯著正相關(guān)（P>0.05，下同），說(shuō)明密碼子的第1位與第2位的堿基相似度較高，但二者與第3位的堿基相似度較低;GCall與GC1和GC3均呈極顯著正相關(guān)，與GC2呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同）;ENC除了與GC2無(wú)顯著負(fù)相關(guān)外，與GCall、GC1、GC3和N均呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明密碼子3個(gè)位置的堿基組成對(duì)ENC的影響有所不同，其中，第1位和第3位堿基組成對(duì)密碼子的偏性有影響。密碼子數(shù)（N）除了與GC3和ENC呈顯著正相關(guān)外，與其他數(shù)值均無(wú)顯著相關(guān)。

由表3可知，RSCU>1的密碼子共有30個(gè)，其中，以U（16個(gè)）或A（13個(gè)）結(jié)尾的密碼子數(shù)量明顯多于以G（1個(gè)）結(jié)尾的密碼子，說(shuō)明以A或U結(jié)尾的密碼子是楸樹葉綠體基因組偏好的密碼子。

2. 2 中性繪圖分析結(jié)果

由圖1可知，GC12含量為0.20～0.37;GC3含量為0.35～0.55，二者的相關(guān)系數(shù)和回歸系數(shù)分別為0.0188和0.143，表明在密碼子的第1、2位堿基與第3位堿基組成相關(guān)性較弱，楸樹葉綠體基因組編碼基因保守性較高，密碼子偏好性受選擇壓力的影響較大。

2. 3 ENC-plot繪圖分析結(jié)果

由圖2可知，在51個(gè)基因中，大部分基因偏離了ENC預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)曲線，少數(shù)分布在預(yù)期曲線附近，說(shuō)明楸樹葉綠體基因組的偏性受選擇壓力的影響較大，受基因突變壓力的影響較小;位于標(biāo)準(zhǔn)曲線上方的基因密碼子偏性較弱，而位于標(biāo)準(zhǔn)曲線下方的基因密碼子偏性較強(qiáng)。由不同GC3含量區(qū)間分布的密碼子數(shù)量（表4）可知，有7個(gè)密碼子分布在-0.05～0.15區(qū)間，其余區(qū)間共有44個(gè)密碼子，而這44個(gè)基因距離ENC標(biāo)準(zhǔn)曲線較遠(yuǎn)（圖2），表明楸樹葉綠體基因組密碼子的使用偏性主要受選擇壓力的影響較大，而受其他因素（如堿基突變等）的影響相對(duì)較小。

2. 4 PR2-plot繪圖分析結(jié)果

由圖3可知，51個(gè)基因在PR2平面圖的4個(gè)部分并非均勻分布，且落在中線上的基因較少，平面圖右下方的基因分布較多，表明各堿基使用頻率存在偏性，即T>A，G>C，說(shuō)明選擇壓力不是影響楸樹葉綠體基因組密碼子偏性的唯一因素，突變等其他因素也對(duì)楸樹葉綠體基因組的密碼子偏性產(chǎn)生一定的影響。

2. 5 最優(yōu)密碼子的篩選

從51個(gè)楸樹葉綠體基因選取中5個(gè)高表達(dá)基因（petA、ndhC、rps2、atpE和rps4）和5個(gè)低表達(dá)基因（cemA、atpF、psbA、rps18和rps14），然后利用Codon W 1.4.2計(jì)算出兩組基因同義密碼子的RSCU，再計(jì)算出ΔRSCU，結(jié)果（表5）表明，高頻密碼子有24個(gè)（RSCU≥1），高表達(dá)優(yōu)越密碼子有12個(gè)（ΔRSCU≥0.08，用*表示），ΔRSCU≥0.30（用**表示）的密碼子有10個(gè)，ΔRSCU≥0.50（用***表示）密碼子有4個(gè)。同時(shí)滿足高頻（ΔRSCU≥0.08）和高表達(dá)（RSCU≥1）的密碼子有7個(gè)，確定為最優(yōu)密碼子，分別是UUU、CUU、CCU、AAA、GAU、CGA和GGU，其中5個(gè)以U結(jié)尾，2個(gè)以A結(jié)尾。

3 討論

GC3是密碼子偏性的一個(gè)重要判斷指標(biāo)。本研究對(duì)楸樹葉綠體基因密碼子3個(gè)位置的GC含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，GC1和GC2含量顯著高于GC3含量，說(shuō)明楸樹葉綠體基因組偏好使用U或A結(jié)尾的密碼子，RSCU分析結(jié)果也證實(shí)該結(jié)論。在糜子（Panicum miliaceum L.）（劉慧等，2017）、普通油茶（Camellia oleifera Abel）（王鵬良等，2018）和西南樺（Betula alnoides Hamilton）（原曉龍等，2020b）等植物的葉綠體基因組偏性的研究也發(fā)現(xiàn)，這些植物偏好使用A或U結(jié)尾的密碼子。本研究最終篩選出的7個(gè)最優(yōu)密碼子，均以U或A結(jié)尾，與杜梨（Pyrus betulifolia Bge.）（辛雅萱等，2020）的最優(yōu)密碼子研究結(jié)果一致。

選擇壓力是引起密碼子使用偏性的主要因素，突變等其他方面的因素也發(fā)揮一定作用（趙森等，2020）。本研究發(fā)現(xiàn)，楸樹葉綠體基因的ENC為34.93～56.50，平均為46.87，說(shuō)明楸樹葉綠體基因密碼子偏性較弱，與大花香水月季（Rosa odorata var. gigantean Rehd. & Wils）（牛元等，2018）、酸棗[Zizi-phus jujube var. spinosa（Bunge） Hu ex H. F. Chow]（胡曉艷等，2019）、灰毛漿果楝[Cipadessa cinerascens（Pellegr.） H. -M.]（原曉龍等，2020c）等植物的葉綠體密碼子使用偏性研究結(jié)果一致，由此推測(cè)葉綠體基因組結(jié)構(gòu)的保守性是導(dǎo)致密碼子使用偏性的主要因素之一。結(jié)合相關(guān)分析和中性繪圖分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿基突變也是影響楸樹葉綠體基因組偏性的主要因素之一，與羅火林等（2016）研究結(jié)論一致。本研究的PR2-plot和ENC-plot分析結(jié)果均表明，楸樹葉綠體基因組密碼子的使用偏性主要受選擇壓力的影響較大，而受其他因素（如堿基突變等）的影響相對(duì)較小，與云南藍(lán)果樹（Nyssa yunnanensis W. C. Yin）（原曉龍等，2020a）、灰毛漿果楝（C. cinerascens （Pellegr.） H. -M.）（原曉龍等，2020b）和西南樺（Betula alnoides Hamilton）（原曉龍等，2020c）等研究結(jié)果一致，但與水稻（Oryza sativa Linn.）（劉慶坡和薛慶中，2004）研究結(jié)果不一致。結(jié)論存在差異可能因?yàn)榛虮磉_(dá)程度和密碼子堿基組成不同所引起。由此可知，物種的葉綠體基因組密碼子使用偏性的影響因素眾多，且不同物種的影響因素各不相同（傅建敏等，2017）。今后應(yīng)基于本研究結(jié)果對(duì)楸樹葉綠體功能基因的進(jìn)化產(chǎn)生是否受選擇壓力影響進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

楸樹葉綠體基因組密碼子偏性較弱，偏好使用A或U結(jié)尾的密碼子，主要受選擇壓力的影響，受突變等其他因素影響較弱。

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（責(zé)任編輯 陳 燕）