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科學(xué)家在蘭科天麻屬植物線粒體基因組進(jìn)化研究中取得進(jìn)展
作者：田瑞穎      來源：中國科學(xué)報
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近日，中國科學(xué)院植物研究所研究員金效華團(tuán)隊與合作者以完全真菌異養(yǎng)蘭科植物天麻屬為對象，在廣泛采樣基礎(chǔ)上組裝其線粒體基因組并展開分析，通過與近緣的自養(yǎng)物種及其他異養(yǎng)植物比較，揭示了天麻屬的線粒體基因組的特殊性及演化機(jī)制。相關(guān)研究發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Molecular Biology & Evolution。
異養(yǎng)植物是植物中的“異類”，通過攝取其他生物體的營養(yǎng)為生。特殊的營養(yǎng)方式和種間互作關(guān)系使異養(yǎng)植物備受進(jìn)化生物學(xué)及生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域關(guān)注。依據(jù)寄主的不同，異養(yǎng)植物可進(jìn)一步分為寄生植物和真菌異養(yǎng)植物。目前的研究表明，異養(yǎng)性的出現(xiàn)引起質(zhì)體基因組相似的演化趨勢，包括基因組收縮和基因丟失，但對于同樣起源于內(nèi)共生體的線粒體，其基因組水平的變化仍有待進(jìn)一步探索。
為此，研究團(tuán)隊共組裝天麻屬的12個線粒體基因組，發(fā)現(xiàn)屬內(nèi)大小變異近4倍，分別包含多條拷貝數(shù)不均的染色體或片段。在兩個物種中分別發(fā)現(xiàn)一條超高拷貝染色體，其豐度達(dá)到個體內(nèi)平均水平約15倍，是目前已知線粒體基因組中最極端的染色體拷貝數(shù)變異。此外，編碼同一反式剪接基因不同片段的染色體之間通常存在顯著的拷貝數(shù)差異，這暗示可能存在復(fù)雜的表達(dá)調(diào)控機(jī)制。
研究人員發(fā)現(xiàn)天麻屬線粒體基因組中由細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移獲得的質(zhì)體序列插入、通過水平基因轉(zhuǎn)移獲得的來自真菌和其他被子植物的序列插入成分均很少。進(jìn)一步檢驗其他植物分支，他們發(fā)現(xiàn)線粒體基因組內(nèi)質(zhì)體序列插入的減少平行發(fā)生于各異養(yǎng)植物分支。結(jié)合對重組率和質(zhì)體插入序列特征等分析，提出“質(zhì)體收縮”假說，認(rèn)為異養(yǎng)植物質(zhì)體基因組的收縮是引起線粒體基因組內(nèi)質(zhì)體插入減少的主要因素。
基于祖先序列重建及共線性分析，并在系統(tǒng)發(fā)生框架下結(jié)合線粒體基因組大小和染色體長度變異模式，研究人員推測天麻屬內(nèi)線粒體基因組大小變異由早期較大的染色體通過重排形成數(shù)量更多而長度較小者，隨后序列以偏向堿基缺失的模式進(jìn)化，并伴隨“非必需”染色體的隨機(jī)丟失引起。
這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了植物線粒體基因組結(jié)構(gòu)多樣性，有助于理解其大小和序列成分變異的機(jī)制。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/molbev/msaf082
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