首次解析莪术（Curcuma amarissima）线粒体基因组：多分支结构、密码子使用及系统发育进化新洞察

《BMC Genomics》：The first complete mitochondrial genome of Curcuma amarissima (Zingiberaceae): insights into multi-branch structure, codon usage, and phylogenetic evolution

为探究姜科植物线粒体基因组情况，海南农业科学院等机构研究人员开展了莪术（Curcuma amarissima）线粒体基因组研究。成功测序、组装并注释其线粒体基因组，发现独特多分支结构等特征。该研究为姜科植物进化等研究提供重要资源。

　　在植物的微观世界里，线粒体就像一个个神秘的 “能量工厂”，对植物的生长发育起着至关重要的作用。植物线粒体拥有自身的遗传物质，其线粒体基因组（mitogenome）结构却十分复杂，存在众多重复序列、会整合叶绿体遗传物质，还频繁发生重排，这使得解析植物线粒体基因组困难重重。姜科（Zingiberaceae）植物莪术（Curcuma amarissima）在植物分类学、植物化学以及药用植物学领域都有着重要地位，其根茎和块茎富含姜黄素类物质和挥发油，在医药、香料、化妆品等行业应用广泛。然而，尽管已有超 20 种姜科植物的叶绿体基因组被组装并发表，但线粒体基因组数据却极为有限，严重限制了人们对该科植物线粒体生物学的全面理解。

为了填补这一知识空白，来自海南农业科学院、宜宾学院、四川职业化工学院、四川农业大学以及德国慕尼黑工业大学的研究人员共同开展了一项研究，对莪术线粒体基因组进行了深入探究。该研究成果发表在《BMC Genomics》杂志上，为姜科植物线粒体基因组研究带来了新的曙光。

研究人员在本次研究中主要运用了以下关键技术方法：样本采集后，从莪术叶片提取高质量基因组 DNA，综合利用牛津纳米孔技术（ONT）的第三代测序和 Illumina 的第二代测序构建基因组文库。采用 minimap2、Flye、Racon、Bowtie2、Unicycler 等软件进行序列比对、组装和校正，完成线粒体基因组的组装；通过 BlastN、tRNAscan-SE 软件等进行基因注释；运用 MEGA7、CUSP、CodonW 等工具分析密码子使用情况；利用 PREPACT 结合 BLASTx 识别 RNA 编辑位点；借助 MISA、TRF、BLASTN 等软件检测重复序列；使用 BLAST 分析叶绿体到线粒体的 DNA 迁移；通过 Phylosuite 软件结合多种工具进行比较基因组学分析和系统发育树构建。

研究人员对莪术线粒体基因组进行测序、组装和注释，发现其线粒体基因组呈现出独特的多分支结构，全长 6,505,655 bp，由 39 个不同片段组成，GC 含量为 44.04%。共鉴定出 43 个蛋白质编码基因（PCGs）、63 个 tRNA 基因和 4 个 rRNA 基因，以及 11 个假基因。部分片段没有完整基因，contig 15 为单环分子，其余 38 个片段为线性分子。
在密码子使用模式方面，分析发现莪术线粒体基因组的密码子使用偏好较弱，多数 PCGs 以标准 ATG 作为起始密码子，部分基因起始密码子特殊，如 nad₁和 rps₁₀使用 ACG。Met 主要由 AUG 编码，Ala 主要由 GCU 编码，且密码子第三位偏好 A 或 T。中性绘图分析表明自然选择是影响线粒体密码子使用的关键因素。预测到 492 个 RNA 编辑位点，均为 C - T/U 转换，主要发生在 35 个 PCGs 中，不同基因编辑位点数量差异大，RNA 编辑后多数氨基酸疏水性发生改变。
对重复序列的研究显示，莪术线粒体基因组存在大量重复序列，包括简单序列重复（SSRs）、串联重复和分散重复。其中，鉴定出 3,901 个长度≥500 bp 的分散重复，1,957 个 SSRs（四聚体最多），4,863 个串联重复。这些重复序列可能对线粒体基因组结构稳定性和进化有重要意义。
研究还发现，莪术叶绿体和线粒体基因组之间存在序列迁移现象，鉴定出 200 多个同源片段，总长度约占线粒体 DNA 的 1.06%，包含 16 个完整基因，其中 18 个 tRNA 基因可能功能改变或成为假基因。
在比较基因组学分析中，与其他 3 种植物相比，莪术线粒体基因组在大小、GC 含量、基因数量等方面存在差异。计算 Ka/Ks 比值和核苷酸多样性（Pi）发现，部分基因进化速度快，部分基因受正选择作用。基因组共线性分析表明，莪术线粒体基因组与其他物种存在结构重排。
通过最大似然法（ML）和贝叶斯推断（BI）构建系统发育树，结果显示多数节点支持度较高，姜目（Zingiberales）内物种聚类关系明确，莪术与凤眼莲（Pontederia crassipes）聚类在一起，为姜科植物进化关系研究提供了重要依据。

研究结论和讨论部分指出，本研究首次成功解析了莪术的完整线粒体基因组，丰富了姜科植物线粒体基因组资源。密码子使用分析表明自然选择在基因进化中起作用，比较基因组学分析揭示了线粒体和叶绿体基因组间的结构重排和序列迁移。系统发育分析为姜科植物进化关系提供了初步见解，显示出线粒体基因组数据在该领域的独特优势。然而，由于目前姜科植物线粒体基因组数据有限，本研究的系统发育结论仍为初步结果。未来，需要对更多姜科植物线粒体基因组进行测序研究，以全面深入了解这一重要植物家族的进化历史和遗传关系。这一研究成果为后续的植物育种、种质资源保护以及系统发育研究提供了宝贵的基因组资源和理论基础，对推动植物科学领域的发展具有重要意义。