近日,，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所(嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心)武志強(qiáng)課題組在國(guó)際權(quán)威期刊《BMC Biology》發(fā)表了題為 “Evolutionary dynamics of mitochondrial genomes and intracellular transfers among diploid and allopolyploid cotton species”的研究論文,。研究團(tuán)隊(duì)基于圖的線(xiàn)粒體組裝揭示了棉屬植物線(xiàn)粒體基因組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和進(jìn)化動(dòng)態(tài)，同時(shí)解析了細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移（IGTs）的規(guī)律，為棉花種質(zhì)創(chuàng)新和細(xì)胞器基因組進(jìn)化研究提供了全新視角,。

與動(dòng)植物核基因組的共同進(jìn)化模式不同，真核生物中植物線(xiàn)粒體基因組同動(dòng)物線(xiàn)粒體基因組和葉綠體基因組在基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和進(jìn)化速率上走向兩個(gè)極端,。植物線(xiàn)粒體基因組中復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)化,，以及重復(fù)序列介導(dǎo)的重排、插入,、缺失和復(fù)制擴(kuò)增等復(fù)雜變異,。除了細(xì)胞器內(nèi)固有的結(jié)構(gòu)改變外，植物線(xiàn)粒體基因組的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也受到細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng),。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)對(duì)線(xiàn)粒體基因組的組裝和點(diǎn)突變率計(jì)算帶來(lái)了挑戰(zhàn),，阻礙了我們對(duì)植物細(xì)胞器基因組結(jié)構(gòu)變異和序列進(jìn)化的理解。

線(xiàn)粒體基因組結(jié)構(gòu)變異和替代構(gòu)象解析

研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中,，基于統(tǒng)一的組裝策略,，組裝了19個(gè)棉花的線(xiàn)粒體基因組，代表了棉花所有基因組群（二倍體A到G,， K和異源多倍體AD）,，首次系統(tǒng)捕捉到多種替代構(gòu)象。這些替代構(gòu)象由重復(fù)序列介導(dǎo)的重組事件驅(qū)動(dòng),，展現(xiàn)了棉屬植物線(xiàn)粒體基因組的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài),。研究還發(fā)現(xiàn)，多倍體棉花與二倍體棉花的線(xiàn)粒體基因組在結(jié)構(gòu)變異上的系統(tǒng)發(fā)育差異,，為解析棉屬植物的進(jìn)化歷史提供了重要證據(jù),。

圖1 | 19 個(gè)棉花線(xiàn)粒體基因組結(jié)構(gòu)變異

棉花線(xiàn)粒體基因組和葉綠體基因組核苷酸替換率的比較

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)細(xì)胞器基因組編碼區(qū)和非編碼區(qū)核苷酸替代率的分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)線(xiàn)粒體基因組突變率極低,，僅為葉綠體基因組的1/3至1/5,。這種顯著差異表明，棉屬植物線(xiàn)粒體基因組在進(jìn)化中保持了高度穩(wěn)定性,，為植物線(xiàn)粒體基因組的進(jìn)化機(jī)制提供了新線(xiàn)索,。

圖2 | 棉花細(xì)胞器基因組中編碼區(qū)和非編碼區(qū)之間的核苷酸替換率

棉花核基因組中細(xì)胞器 DNA 的整合和分布模式

研究團(tuán)隊(duì)繪制了棉屬植物細(xì)胞器DNA轉(zhuǎn)移（NUOTs）的全基因組圖譜，揭示了細(xì)胞器片段在核基因中的非隨機(jī)分布,，線(xiàn)粒體到核基因組的轉(zhuǎn)移片段（NUMTs）以較短片段形式存在,，而葉綠體到核基因組的轉(zhuǎn)移片段（NUPTs）則更容易被整合到核基因組中。這一發(fā)現(xiàn)表明,，細(xì)胞器DNA轉(zhuǎn)移受到不同進(jìn)化過(guò)程的調(diào)控,，其命運(yùn)各不相同。

圖3 | 棉屬中 NUPT 和 NUMT 的轉(zhuǎn)移特征

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，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)Jonathan F. Wendel教授,，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所馬雄風(fēng)研究員,，山東大學(xué)海洋學(xué)院闞勝龍博士為共同通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所與河南大學(xué)聯(lián)培碩士研究生孔佳莉?yàn)榈谝蛔髡?，中?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所與莫道克大學(xué)聯(lián)培博士生王杰, 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所與莫道克大學(xué)聯(lián)培博士生聶麗云為共同第一作者,。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金,、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì),、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年人才計(jì)劃以及廣東省珠江人才計(jì)劃基金的支持。

原文鏈接: https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-025-02115-z