英文标题：Comparative analysis of the mitogenomes of multiple species of Fagaceae, with special focus on Quercus gilva

发表期刊：BMC Plant Biology （IF=4.8）

发表时间：2025.8

2025年8月，上海辰山植物园宋以刚教授团队在国际植物科学领域权威学术期刊《BMC Plant Biology》上发表了题为“Comparative analysis of the mitogenomes of multiple species of Fagaceae, with special focus on Quercus gilva”的研究论文。该研究对壳斗科栎属赤皮青冈的线粒体基因组进行了组装注释，为栎属植物的研究提供了宝贵的基因组资源，同时本研究还对壳斗科物种的线粒体基因组进行了比较分析，为壳斗科物种的进化和保护提供了理论支持。

贝纳基因参与了该项目赤皮青冈线粒体基因组的测序和分析工作。

研究背景

栎属植物约包含450个物种，广泛分布于北半球。随着高通量测序技术的发展，栎属植物的核基因组和质体基因组得到了较多的研究，但是针对该属物种线粒体基因组的研究尚且缺乏。赤皮青冈作为栎属Cerris亚属青冈栎组（Cyclobalanopsis）的濒危物种，其线粒体基因组的解析对研究该物种的进化和保护具有重要意义。本研究旨在通过组装注释赤皮青冈的线粒体基因组并对栎属植物线粒体基因组进行比较分析，阐明栎属植物的进化轨迹，为濒危物种保护奠定理论基础。

研究结果

1. 赤皮青冈线粒体基因组特征

本研究通过Illumina和Nanopore测序技术对赤皮青冈的线粒体基因组进行测序组装，组装得到的基因组由4个分子组成，总长度为490015bp，GC含量为45.68%，分子1，3，4为环形，分子2为线性。在赤皮青冈线粒体基因组上共注释到37个蛋白编码基因（PCGs），19个tRNAs基因和3个rRNAs基因。36个PCGs是该物种特有的，其中24个为核心基因，12个为可变基因。除此以外，在赤皮青冈线粒体基因组上共预测到193个大于300bp的开放阅读框（ORFs）。

图1 赤皮青冈线粒体基因组图谱

2. 重复序列分析

赤皮青冈线粒体基因组含有大量的重复序列，4个分子中鉴定到的简单重复序列标记（SSRs）分别为20，40，52和43个。所有SSRs中，四碱基重复序列数量最多，占总SSRs的40.37%，大多数SSRs由两个互补碱基腺嘌呤和胸腺嘧啶组成。除此以外，在4个分子中分别检测到2，5，4，5个串联重复序列（TRSs），这些TRSs重复单元为2-4个碱基，重复序列长度为15-45bp。4个分子中的散在重复序列（DRSs）中均未鉴定到反向或互补重复序列，共鉴定到69个正向重复和50个回文重复序列，大部分长度为30-60bp。重复序列的分布统计结果表明，大多数重复序列位于基因间区，只有少部分位于基因区域。

图2 赤皮青冈线粒体基因组重复序列

3. 密码子使用偏好性

本研究对赤皮青冈线粒体基因组中筛选的28个PCGs进行了密码子使用偏好性分析，共有30个密码子的RSCU值大于1，其中只有3个密码子是以G/C碱基结尾，另外27个密码子都是以A/U结尾，表明该物种更偏向使用A/U结尾的密码子。在所有的氨基酸中，组氨酸对密码子的偏好性最显著，其次是丙氨酸，其首选密码子的RSCU值均大于1.5。

4. RNA编辑位点预测

作者在赤皮青冈线粒体基因组36个PCGs中共预测到491个潜在的RNA编辑位点（C到U），不同基因含有的RNA编辑位点不同，nad4基因最多，rpl2最少（0个）。491个RNA编辑位点中有461个引起了非同义氨基酸的改变，其中丝氨酸到亮氨酸以及脯氨酸到亮氨酸的转变最为常见；227个位点引起了亲水氨基酸到疏水氨基酸的改变，50个位点引起了疏水氨基酸到亲水氨基酸的改变；另外有3个位点引入了终止密码子。

图3 赤皮青冈线粒体基因组RNA编辑位点

5.内共生基因转移

通过序列相似性分析，本研究在赤皮青冈线粒体基因组中共鉴定到11个与质体基因组同源的序列（MTPTs），总长度为6512bp，占线粒体基因组长度的1.33%。其中两个MTPTs长度大于1000bp，5个MTPTs有两个拷贝，位于质体基因组的反向重复区（IR），6个MTPTs位于质体基因组的大片段单拷贝区（LSC）。这些MTPTs共注释到14个质体基因，其中6个基因是完整的，质体中的PCGs在线粒体基因组中已被假基因化，但是质体tRNAs基因在线粒体中尚保留功能。赤皮青冈线粒体基因组中还存在1824个与核基因组同源的序列（NUMTs），几乎整个线粒体基因组都与核基因组5号染色体的序列高度同源。赤皮青冈线粒体基因组，质体基因组和核基因组之间存在广泛的序列转移。

图4 赤皮青冈基因组序列转移示意图

6. 壳斗科植物线粒体基因组的比较和共线性

本研究对壳斗科5个属11物种的线粒体基因组进行了比较分析，这些基因组的大小和结构差异显著。赤皮青冈线粒体基因组是目前已知的栎属植物线粒体基因组中最大的。所有基因组的GC含量差异较小，表明各物种碱基组成的变异性较低，而各物种的PCGs数量变化则表明，在进化过程中壳斗科植物线粒体基因组经历了PCGs的丢失。共线性分析的结果表明，这些壳斗科物种线粒体基因组之间存在大量的同源区块，也存在广泛的基因组重排，最大的同源区块存在于同一亚属的同组物种（Q. petraea和Q. robur）以及同属物种（C. mollissima和C. henryi）中，因此近缘物种更可能保留较大的同源区块。

图5 壳斗科11物种线粒体基因组共线性分析

7. 壳斗科细胞器基因组的核苷酸多样性和选择压力分析

本研究对壳斗科11个物种细胞器基因组共有的PCGs（30个线粒体PCGs，79个质体PCGs）进行了核苷酸多样性（Pi值）分析，总体而言，叶绿体基因的Pi值高于线粒体基因，叶绿体基因间的Pi值差异也较大。Pi值越高，则基因的序列多样性越高。除此以外，本研究通过计算不同物种共有PCGs的Ka/Ks比率（非同义突变/同义突变率）评估了不同PCGs的选择压力，大部分PCGs的Ka/Ks值小于1，只有10个叶绿体PCGs和7个线粒体PCGs在某些物种比较中Ka/Ks值大于1，表明这些基因存在潜在的正选择压力。这些具有高Pi和Ka/Ks值的PCGs可作为壳斗科系统发育研究的潜在标记基因。

图6 壳斗科植物线粒体基因组30个共有PCGs的Pi和Ka/Ks值

8. 系统发育分析

本研究基于40个被子植物中12个保守的线粒体PCGs构建了系统发育树，大多数节点的bootstrap值都大于80，因此该系统发育分类可信度高。此系统发育树与国际被子植物系统发育群IV（APG IV）和质体系统基因组学（PPA II）分类系统的分类结果也是一致的。栎属植物中，青冈组的赤皮青冈是最先分化的。

图7 40个被子植物的系统发育树

研究结论

本研究成功组装了赤皮青冈的高质量线粒体基因组，并对其基因组的特征进行了详细的分析，不仅为壳斗科栎属植物的线粒体基因组研究提供了有价值的信息，也为赤皮青冈的适应性进化及物种保护研究提供了理论支持。同时，本研究还针对11个壳斗科物种的线粒体基因组进行了比较分析，阐明了线粒体基因组在物种进化过程中的动态变化机制，加深了我们对壳斗科植物历史演化进程的理解。

参考文献：

Li Y, Zheng S S, Kozlowski G, et al. Comparative analysis of the mitogenomes of multiple species of Fagaceae, with special focus on Quercus gilva[J]. BMC Plant Biology, 2025, 25(1): 1098.