越南石灰岩特有长柄恋岩花线粒体基因组的组装与比较分析：探索进化与适应的遗传密码

研究人员对长柄恋岩花（Echinacanthus longipes）线粒体基因组（mtDNA）进行组装和分析，为其进化和适应研究提供重要依据。

　　在热带和亚热带地区，有一个庞大的植物家族 —— 爵床科（Acanthaceae），它拥有约 191 属 4900 种植物。其中，长柄恋岩花是中越喀斯特植物区系的特有物种，它生长在石灰岩山坡的潮湿处，能在高 pH 值、低储水量以及高镁钙浓度的浅层喀斯特土壤中顽强生存，这种独特的环境适应能力让它成为研究石灰岩喀斯特在物种形成和特有性方面作用的重要模型。然而，一直以来，长柄恋岩花的线粒体基因组（mtDNA）却鲜为人知。同时，爵床科虽物种丰富，但仅有海榄雌（Avicennia marina）的完整 mtDNA 被测序提交到数据库，这使得深入研究爵床科植物线粒体基因组迫在眉睫。

为了解开长柄恋岩花线粒体基因组的奥秘，中国科学院华南植物园等研究机构的研究人员开展了相关研究。研究成果发表在《BMC Genomics》上，为该领域带来了新的曙光。

在这项研究中，研究人员用到了多种关键技术方法。首先，从广西靖西采集长柄恋岩花样本，通过 CTAB 法提取其总基因组 DNA，利用 PacBio HiFi 测序技术获得测序数据。然后，以 Liriodendron tulipifera L.、Ajuga reptans L. 和 Rotheca serrata (L.) Steane & Mabb. 的线粒体基因组为参考序列，使用 Seqkit、Flye 等软件进行线粒体基因组的组装和筛选，并用 IPMGA 和 OGDRAW 进行注释和可视化。此外，还运用了多种软件对重复序列、密码子使用、RNA 编辑位点等进行分析，构建系统发育树并计算 Ka/Ks 值，以探究长柄恋岩花与其他物种的进化关系和选择压力8910。

研究结果主要从以下几个方面展开：

1. mtDNA 特征：长柄恋岩花的 mtDNA 总长度为 810,200bp，由两个小环形和三个线性分子组成，结构十分复杂。共注释出 61 个独特基因，包括 36 个蛋白质编码基因（PCGs）、22 个 tRNA 基因和 3 个 rRNA 基因。其中还存在大量序列重复现象，并且有较多 tRNA 基因从叶绿体转移到线粒体1。
2. 重复序列分析：在其 mtDNA 中发现了 160 个简单序列重复（SSR）位点，以四聚体和五聚体 SSR 为主，且多数位于基因间隔区。同时还存在众多分散重复序列和少量串联重复序列2。
3. 蛋白质编码基因密码子使用分析：PCGs 长度为 31,969bp，多数以 ATG 为起始密码子，少数如 rpl16 基因以 GTG、nad4L 基因以 ACG 为起始密码子。终止密码子有 TGA、TAA 和 TAG。密码子使用存在偏好性，丝氨酸（Ser）、精氨酸（Arg）和亮氨酸（Leu）使用频率较高3。
4. RNA 编辑位点预测：共识别出 401 个潜在 RNA 编辑位点，主要是 C 到 T 的转换。ccmB 基因的编辑位点最多，多数编辑使氨基酸转变为疏水氨基酸，还有部分亲水氨基酸转变为终止密码子4。
5. 基因组序列同源性分析：长柄恋岩花的叶绿体基因组（cpDNA）与 mtDNA 之间有 72 条迁移序列，总长度达 118,235bp，占 mtDNA 的 14.59%，且多数迁移发生在染色体 1 与 cpDNA 之间5。
6. 系统发育和 Ka/Ks 分析：基于 31 个保守 PCGs 构建的系统发育树显示，长柄恋岩花与海榄雌亲缘关系较近。Ka/Ks 分析表明，多数 PCGs 经历负选择，而 ccmB 基因经历正选择6。
7. mtDNA 比较：与海榄雌相比，长柄恋岩花 mtDNA 在大小、结构、GC 含量和基因组成上存在差异。与其他近缘物种的共线性分析显示，线粒体基因组存在重排和有限的共线性7。

综合研究结论和讨论部分，这项研究首次成功组装并注释了长柄恋岩花的完整 mtDNA，揭示了其复杂的结构和丰富的遗传信息。研究发现的多种重复序列，尤其是四聚体 SSR 可作为潜在分子标记。RNA 编辑位点的分析为理解基因表达调控提供了线索。系统发育和比较分析明确了长柄恋岩花在爵床目（Lamiales）中的进化地位和线粒体基因组的演变特征。此外，ccmB 基因的正选择以及较多的 tRNA 基因转移事件，都为后续研究长柄恋岩花适应喀斯特环境的分子机制提供了重要方向。总之，该研究为爵床科植物线粒体研究提供了宝贵资料，也为长柄恋岩花在喀斯特地区的功能遗传和适应性研究奠定了坚实基础，对深入了解植物进化和适应环境的遗传机制具有重要意义。