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项目文章 | Frontiers in Plant Science期刊发表构属线粒体基因组异质性和系统进化最新进展

 

研究简介

 

12月1日,温州大学生命科学学院张永华课题组联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所武志强课题组,在期刊Frontiers in Plant Science上在线发表了题为“Comparative analysis of mitochondrial genomes of Broussonetia spp. (Moraceae) reveals heterogeneity in structure, synteny, intercellular gene transfer, and RNA editing”的研究文章。文章基于杂交组装策略,利用ONT和illumina测序数据,首次报道了3种构属植物完整的线粒体基因组,其中测序工作在贝纳基因开展此外,该团队还分析了各个基因组的结构、基因含量、共线性、序列迁移、系统发育和RNA编辑情况。作为造纸材料和重要的中药材,构属线粒体基因组研究为其之后的遗传育种改良工作提供了良好的分子基础。

 

文章题目:Comparative analysis of mitochondrial genomes of Broussonetia spp. (Moraceae) reveals heterogeneity in structure, synteny, intercellular gene transfer, and RNA editing

发表期刊:Frontiers in Plant Science(IF=6.627)

发表时间:2022.12.01

 

主要研究结果

 

1、 线粒体基因组组装和注释

基于ONT和illumina的测序数据,该研究组装出了3个物种的线粒体基因组(图1)。其中,构树和小构树的线粒体基因组为单环结构,大小分别为325822bp、276967bp;藤构线粒体基因组则被组装成2个环,大环151895bp,小环为115525bp。对三个物种的线粒体基因组进行注释比较发现,虽然三个物种的线粒体基因组基因含量具有较好的一致性,仅有少数tRNA基因存在差异。

 

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图1 三个构属植物线粒体基因组示意图

(A) 藤构线粒体基因组的两个环(RA、RB);(B)小构树;(C)构树

 

三种构树线粒体基因组的共线性比较揭示出种间存在大量的大同源区块,这些区域可能经历了大量的结构重组。在线粒体基因组序列的保守性方面,与构树相比,藤构和小构树含有更多的共线性片段,这暗示了藤构和小构树具有更近的亲缘关系。种内共线性分析发现,除了构树线粒体基因组存在一个长达33kb的重复片段外,3个物种的种内共线性区域都很少且大多数都是极短的片段(图2)。

 

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图2 线粒体基因组共线性分析。

(A)超过5000bp的种间共线性区段;(B)种内共线性区段

 

2、 细胞器基因组间基因转移

作者对两个细胞器基因组进行了全局比对,发现某些质体区中同源区域的分布是不均匀的。具体来说,小构树、藤构和构树的质体基因组中各有22个、26个和15个序列片段迁移到了相应的线粒体基因组中,且该过程经历了活跃的重排和重组(图3)。

 

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图3 3个构属植物中从质体转移到线粒体中的基因片段信息。

(A)质体中转移片段的长度分布;(B)质体中转移片段的类型;(G)线粒体内转移片段的长度分布;(H)线粒体内转移片段的类型;(C-F)质体基因组中转移片段的位置;(J-M)线粒体基因组中转移片段的位置

 

3、 细胞器系统发育分析

虽然二者在少数节点存在支持率上的微小差异,但并没有对系统发育关系产生很大影响,整体来看,质体和线粒体基因组揭示的系统发育关系在该研究当中是相同的,且小构树和藤构显示出更近的亲缘关系,这与前面所说的共线性分析结果相一致。此外,线粒体基因组的发育树较质体树有更短的分支长度,这可能暗示着线粒体基因组的进化更慢(图4)。

 

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图4 基于73个共享的质体基因(左)和13个共享的线粒体基因(右)构建的ML树

 

4、 RNA编辑和NUMT转录

该研究还对三种构树的线粒体及质体基因组中的RNA编辑位点进行了比较,结果发现在三个物种间以及同一物种不同组织间,RNA编辑位点存在丰度、类型、位置及效率等方面的巨大差异:1)线粒体基因组比质体基因组具有更多的RNA编辑位点;2)编辑类型以C>T为主;3)RNA编辑倾向于发生在3个物种基因组的不同区域;4)RNA编辑效率也因物种和组织不同(图5)。最后,作者还提到,三个物种中均存在几个核线粒体DNA片段(NUMT),它们可以无关组织差异、作为核基因组的组成部分被转录。

 

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图5 RNA编辑类型和效率。

(A)各个组织中线粒体RNA编辑位点数;(B)各个组织中线粒体RNA编辑位点类型所占百分比;(C)各个组织中质体RNA编辑位点数;(D)各个组织中质体RNA编辑位点类型所占百分比。

 

 小结 

 

该研究组装了三种构树高质量的线粒体基因组,并揭示了它们之间的结构和进化关系,为其他属植物的线粒体基因组研究提供了参考和方向;同时,还为构属植物细胞器基因组之间的信息交流提供了珍贵的遗传资源。

 

 

 

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