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为探究风铃草属（Campanulaceae）植物种内质体结构变异情况及对质体 - 核不相容性（PNI）的影响，研究人员对美国风铃草（Campanula americana）多个质体基因组进行组装分析。结果发现其质体基因组大小变异显著，重复 DNA 含量高。这挑战了传统观点，为研究 PNI 遗传机制提供了新视角。
在植物的微观世界里，质体对于植物的生命活动起着至关重要的作用，它参与光合作用、淀粉合成以及应对外界压力等重要过程 。大多数陆生植物的质体基因组高度保守，通常种内的差异仅仅体现在少量的单核苷酸多态性（SNPs）或短插入缺失（indels）上。然而，在一些植物家族中，质体基因组却展现出较高的核苷酸替换率和结构重排现象，这一现象可能会导致质体 - 核不相容性（PNI）的增加，进而影响物种的形成。但目前，人们对于物种内部质体结构变异的情况知之甚少。
为了深入了解这一领域的未知，美国弗吉尼亚大学和詹姆斯麦迪逊大学的研究人员开展了相关研究。他们聚焦于风铃草属植物，该属植物以动态的质体进化而闻名。研究人员选择美国风铃草（Campanula americana）作为研究对象，因为它存在强烈的种内 PNI 现象，且具有三个不同的质体谱系。
研究人员通过收集美国风铃草不同谱系的种子，提取 DNA 并进行测序，组装出质体基因组。之后，运用多种生物信息学工具对基因组进行注释、分析结构变异、计算核苷酸多样性以及研究重复 DNA 的含量。
研究结果如下：
- 质体基因组结构和系统发育关系：成功组装出美国风铃草不同谱系和其姐妹分类群三裂叶沙参（Triodanis perfoliata）的质体基因组，均呈现典型的四分结构，GC 含量约为 37%。美国风铃草不同谱系的基因组大小差异显著，在 188,309 - 201,788bp 之间，且不同谱系的基因拷贝数存在差异。系统发育分析表明，三裂叶沙参是美国风铃草的姐妹物种，美国风铃草的每个谱系都形成了单系分支12。
- 结构变异分析：美国风铃草和三裂叶沙参的质体基因组在单拷贝区域和反向重复区域的边界处没有明显差异。但美国风铃草的基因组相对于三裂叶沙参存在两个大的倒位和两个易位。在不同谱系内部和之间也存在结构变异，且这些变异大多发生在非编码序列中34。
- 序列差异和重复 DNA 含量：美国风铃草的质体基因组重复 DNA 含量较高，约 20% 的基因组由重复 DNA 组成，其中阿巴拉契亚谱系（Appalachian lineage）的串联重复比例最高。研究还发现基因组大小与总重复 DNA 含量之间存在很强的相关性。此外，不同谱系之间的重复序列核苷酸序列不同，形成了核苷酸多样性热点区域56。
研究结论和讨论部分指出，美国风铃草质体基因组大小的变异程度远超其他物种，主要是由结构重排、基因复制和重复 DNA 元件导致的，且重复 DNA 含量是基因组大小变异的主要驱动因素。这种结构和序列的变异可能与 PNI 相关，虽然结构变异发生在非编码序列，但部分编码核糖体亚基、ycf 基因以及参与光合作用的基因的序列差异可能是导致 PNI 的原因。不过，还需要进一步结合核基因组和转录组数据，才能深入了解 PNI 的分子机制。
该研究打破了人们对质体基因组保守性的传统认知，为研究植物物种形成过程中 PNI 的遗传机制提供了重要依据，也为后续相关研究指明了方向。
研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：利用牛津纳米孔技术（Oxford Nanopore Technologies）平台进行长读长测序；使用 Bonito 训练定制的碱基识别模型进行质体基因组组装；通过 MAFFT 进行序列比对，构建最大似然树进行系统发育分析；运用 IRplus、MUMer4、SyRI 等工具进行结构变异分析；借助 Tandem Repeats Finder 和 Vmatch 分析重复 DNA 。
