中国特有金花茶线粒体基因组组装：揭示重复序列介导的重组、密码子偏好及 MTPTs

《BMC Plant Biology》：Mitochondrial genome assembly of the Chinese endemic species of Camellia luteoflora and revealing its repetitive sequence mediated recombination, codon preferences and MTPTs

为解决金花茶（Camellia luteoflora）在系统发育分类和种群鉴定方面因线粒体和叶绿体基因组研究不足的问题，贵州大学研究人员开展了金花茶线粒体基因组组装及相关分析研究。结果首次获得其线粒体基因组信息，明确了基因组特征等。该研究为金花茶保护和进化研究提供重要依据。

　　金花茶，作为中国特有的珍稀植物，不仅具有极高的观赏价值，还在经济领域有着重要意义。然而，由于其分布范围极为狭窄，加上人类活动导致的栖息地破坏，金花茶的生存面临着严峻挑战，已被列为珍稀濒危物种。在科学研究方面，尽管对金花茶的关注逐渐增多，但其线粒体和叶绿体基因组的研究却相对滞后，这在很大程度上限制了对其系统发育分类和种群鉴定的深入了解 。

为了填补这一空白，贵州大学的研究人员开展了一项具有重要意义的研究。他们通过采集来自贵州赤水金沙沟的金花茶样本，利用高通量测序技术，成功完成了金花茶线粒体基因组的首次完整组装，并对其叶绿体基因组进行了重新注释。随后，运用多种生物信息学分析方法，对线粒体基因组的结构组织、基因内容、细胞器间 DNA 转移、序列变异以及进化关系等方面进行了系统研究。

研究结果发表在《BMC Plant Biology》上，为金花茶的研究和保护带来了新的曙光。其研究成果对于深入了解金花茶的遗传特征、进化起源以及制定科学合理的保护策略具有至关重要的意义，同时也为山茶属其他物种的相关研究提供了宝贵的参考依据。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是样本采集与 DNA 提取，从自然栖息地采集健康叶片，提取高质量基因组 DNA；二是高通量测序，通过 Illumina NovaSeq 6000 系统和 Oxford Nanopore PromethION 平台进行测序；三是基因组组装与注释，采用混合组装策略及多种软件完成；四是多种生物信息学分析，包括重复序列分析、密码子偏好分析等。

下面来详细了解一下研究结果：

1. 线粒体基因组的组装与注释：研究人员利用长读段和短读段序列组装策略，获得了长度为 587,847 bp 的线粒体基因组，其 GC 含量为 44.63% 。该基因组共包含 70 个独特的功能基因，其中有 40 个蛋白质编码基因（PCGs）、27 个 tRNA 基因和 3 个 rRNA 基因。同时，还得到了长度为 157,172 bp 的完整叶绿体基因组。
2. 线粒体基因组的不同构型：金花茶线粒体基因组中存在重复序列，这些序列可介导重组，导致基因组产生不同构型。研究人员通过对特定重复序列介导的重组进行验证，证实了分子内重复序列能够影响不同同源片段对的重组模式，进而丰富了 DNA 的亚结构。
3. 重复序列分析：在金花茶线粒体基因组中，鉴定出 506 个分散重复序列和 240 个简单序列重复（SSRs）。分散重复序列包括正向和回文重复类型，广泛分布于基因组的基因间区域。SSRs 中以四核苷酸重复为主，占总数的 37.50%。
4. 线粒体基因组密码子偏好分析：对金花茶线粒体基因组的密码子偏好分析显示，终止密码子 UAA、UGA 和 UAG 的利用率分别为 50.00%、31.58% 和 18.42% ，而终止密码子 TAG 未被使用。相对同义密码子使用（RSCU）分析表明，存在 2 个 RSCU 等于 1 的密码子，编码丙氨酸（Ala）的 GCU 密码子使用频率最高，且多数 RSCU 大于 1 的密码子以 A 或 U 结尾。
5. 线粒体质体 DNA（MTPTs）分析：研究发现，金花茶线粒体基因组中存在 19 个来源于叶绿体的基因片段，总长度为 29,534 bp，占整个线粒体基因组的 3.77%。这些片段包含 9 个 CDS 区域、2 个 rRNA 基因和 8 个 tRNA 基因，可能在基因功能补偿方面发挥作用。
6. RNA 编辑事件分析：预测金花茶线粒体基因组中 PCGs 的 RNA 编辑位点，共发现 539 个 RNA 编辑事件，主要表现为碱基 C 到 T 的转换。编辑事件集中在起始密码子的第一和第二位碱基，导致多种氨基酸变化，增加了蛋白质的疏水性，可能对维持线粒体基因表达的调控起到关键作用。
7. 选择压力和核苷酸多样性分析：通过对金花茶及其近缘种的 PCGs 进行选择压力分析，发现 12 个基因的平均 Ka/Ks 值为 0.45 ，除 cox2 基因外，其余 11 个基因的 Ka/Ks 值均小于 1，表明这些基因受到强负选择，蛋白质功能相对稳定。核苷酸多样性（Pi）分析显示，线粒体基因中 cox2 的变异性最高（Pi=0.02248），PCG 中所有基因的 Pi 值范围为 0 - 0.00711，说明金花茶线粒体基因的核苷酸序列高度保守。
8. 系统发育树构建：基于线粒体基因组的蛋白质编码基因和整个叶绿体基因组构建系统发育树，结果表明，金花茶与 Camellia sinensis var. sinensis 的亲缘关系最近。同时，叶绿体基因组的系统发育分析进一步证实了 sect. luteoflora 在山茶属中的独立地位，且与 sect. Camellia 的关系更为密切。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，金花茶线粒体基因组的成功组装及相关分析，为深入了解其遗传特征、进化起源和系统分类提供了重要基础。重复序列在基因组结构和进化中发挥着重要作用，密码子偏好反映了物种的进化历程和适应策略。此外，叶绿体到线粒体的基因转移现象为研究细胞器间的基因交流提供了新的视角。然而，目前对于这些转移基因在线粒体中的具体功能还知之甚少，未来需要进一步深入研究。同时，研究人员建议，为了更精确地解析山茶属的系统发育关系，应扩大线粒体基因组测序的物种范围。这项研究不仅为金花茶的保护和利用提供了科学依据，也为植物线粒体基因组的研究开辟了新的方向，对推动植物学领域的发展具有重要意义。