近日，基因組所武志強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)金雙俠教授、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Henry Daniell在國(guó)際知名植物學(xué)期刊《植物科學(xué)趨勢(shì)（Trends in Plant Science）》受邀發(fā)表綜述“Plant organellar genomes: much done, much more to do”，系統(tǒng)總結(jié)了目前植物細(xì)胞器基因組在測(cè)序豐度、突變速率、結(jié)構(gòu)變異等方面所取得的研究成果并探討了塑造細(xì)胞器進(jìn)化特征的重要機(jī)制，提出了未來(lái)值得探索的重要科學(xué)問題。同時(shí)，綜述探討了目前細(xì)胞器遺傳轉(zhuǎn)化和編輯的作用機(jī)制、適用性、局限性以及未來(lái)挑戰(zhàn)，對(duì)植物細(xì)胞器編輯工具改進(jìn)與開發(fā)提供了獨(dú)特觀點(diǎn)。

1. 植物細(xì)胞器測(cè)序的不平衡發(fā)展

葉綠體和線粒體是植物體內(nèi)唯二擁有內(nèi)共生起源基因組的細(xì)胞器，也是植物光合作用和呼吸作用的核心場(chǎng)所。由于植物線粒體基因組難以精確組裝，目前基因組測(cè)序在細(xì)胞器和類群間分布極不均衡，植物線粒體基因組中大片段重復(fù)序列和細(xì)胞內(nèi)水平轉(zhuǎn)移片段是造成這一困難的重要原因。因此未來(lái)有必要對(duì)進(jìn)化關(guān)鍵和稀有類群細(xì)胞器基因組進(jìn)行針對(duì)性研究，以及重點(diǎn)突破植物線粒體基因組特異性組裝工具的開發(fā)來(lái)解決稀有構(gòu)象捕捉等問題。

圖1 | 2005-2023.9不同測(cè)序方法產(chǎn)生的植物細(xì)胞器基因組數(shù)量

1. 植物細(xì)胞器基因組分化的進(jìn)化特征

綜述詳細(xì)比較了植物兩套細(xì)胞器基因組在基因含量、突變速率、結(jié)構(gòu)變異和水平轉(zhuǎn)移等方面的異同，總結(jié)了影響不同特征的潛在機(jī)制。綜述呼吁對(duì)細(xì)胞器基因組中未知功能ORFs以及細(xì)胞器基因組的動(dòng)態(tài)群體變化與高分辨率構(gòu)象捕獲等問題展開研究，并強(qiáng)調(diào)探索細(xì)胞器基因組遺傳、重組、修復(fù)的RRR機(jī)制是理解突變與結(jié)構(gòu)變異的重要方面。此外，對(duì)于細(xì)胞內(nèi)水平轉(zhuǎn)移的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估體系和鑒定方法建立是理解細(xì)胞基因組進(jìn)化的重要環(huán)節(jié)。

圖2 | 植物細(xì)胞器基因組的突變和結(jié)構(gòu)變異

2. 細(xì)胞器基因編輯技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

綜述總結(jié)了葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化的成果及其與合成生物學(xué)的結(jié)合研究，闡述了植物線粒體基因組群體動(dòng)態(tài)的復(fù)雜變化對(duì)遺傳轉(zhuǎn)化的限制。此外，該文重點(diǎn)比較了新興細(xì)胞器基因編輯體系如TALENs、DdCBEs、CyDENT的技術(shù)特點(diǎn)、作用機(jī)制和局限性，提出準(zhǔn)確獲取細(xì)胞器基因組全組織/發(fā)育階段序列和三維結(jié)構(gòu)信息、理解線粒體基因復(fù)制和翻譯過程、篩選強(qiáng)選擇標(biāo)記、同質(zhì)性分選、開發(fā)小分子量遞送系統(tǒng)等細(xì)胞器基因編輯工作的未來(lái)前景。

圖3 | 植物細(xì)胞器基因組編輯

3. 細(xì)胞器基因組研究面臨的未來(lái)挑戰(zhàn)

最后，綜述圍繞細(xì)胞器基因組在種間/種內(nèi)不同組織/發(fā)育階段的群體變異與3D構(gòu)象、非編碼區(qū)域中重復(fù)序列和非編碼調(diào)控元件的功能探索、結(jié)構(gòu)變異的調(diào)控機(jī)制以及細(xì)胞器基因編輯，提出了未來(lái)值得探索的一系列重要科學(xué)問題。

值得一提的是本篇論文列為2024年的Feature Review，F(xiàn)eature Review是Trends in Plant Science發(fā)表的文章類型中數(shù)量最少、篇幅最長(zhǎng)、影響力最大的文章類型。

圖4 | 植物細(xì)胞器基因組的未來(lái)工作前景

作者簡(jiǎn)介：

武志強(qiáng)研究員自2006起就致力于植物細(xì)胞器基因組的相關(guān)研究，利用組學(xué)大數(shù)據(jù)探索細(xì)胞器基因組的變異和突變機(jī)理，以及細(xì)胞核質(zhì)互作的分子機(jī)制，并挖掘以細(xì)胞器為基礎(chǔ)的光合作用系統(tǒng)轉(zhuǎn)化以提高作物產(chǎn)量。近年來(lái)，該課題組在PNAS（2015）、Mol Biol Evol（2017）、Heredity （2019）、G3（2020）、JSE （2020，2022），BMC Plant Biol（2023）等期刊連續(xù)發(fā)文解析植物線粒體基因組變異的復(fù)雜性及多樣性，對(duì)認(rèn)識(shí)和研究生命起源、進(jìn)化的復(fù)雜性和多樣性具有重要意義。該課題組聚焦突變分子機(jī)制研究，通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)創(chuàng)造性地證實(shí)了MSH1基因具有調(diào)控細(xì)胞器基因組重組和突變修復(fù)的雙重功能（PNAS，2020），并進(jìn)一步構(gòu)建了MSH1擬南芥突變體的細(xì)胞器基因組變異全圖譜（Plant J，2022）。此外，該課題組在細(xì)胞器基因組領(lǐng)域首次開發(fā)出應(yīng)用圖形化植物線粒體基因組來(lái)評(píng)估細(xì)胞器結(jié)構(gòu)變異的策略（Brief Bioinform，2023）。課題組目前招聘博士后，歡迎感興趣的朋友聯(lián)系武志強(qiáng)研究員（[email protected]）。

金雙俠，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，國(guó)家杰出青年基金獲得者，2007年至2012年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Henry Daniell教授實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，主攻方向是植物葉綠體（質(zhì)體）基因工程和合成生物學(xué)。回國(guó)后其團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)棉花生物技術(shù)和抗蟲基因工程研究，創(chuàng)制了高體細(xì)胞胚胎發(fā)生能力的棉花基因型，開發(fā)了多套基因編輯工具，在植物生物技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)表高水平研究論文，形成了較大學(xué)術(shù)影響力，是國(guó)際上棉花生物技術(shù)開發(fā)的主要研究力量。目前擔(dān)任Plant Biotechnology Journal 執(zhí)行主編、Genome Biology 編輯和Crop Journal副主編。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所博士研究生王杰、博士后闞勝龍（現(xiàn)已入職山東大學(xué)）、博士研究生廖雪竹為論文的共同第一作者，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所武志強(qiáng)研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)金雙俠教授和賓夕法尼亞大學(xué)Henry Daniell教授為共同通訊作者。此外，基因組所與華中農(nóng)大聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生周家偉和美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)Luke Tembrock博士也參與了此項(xiàng)工作。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委、農(nóng)科院青年英才、廣東省珠江人才和農(nóng)科院創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(23)00412-0