比较基因组学揭示紫茉莉科植物细胞器基因组结构差异及非编码转录的广泛存在

本研究通过PacBio测序和链特异性RNA测序技术，首次组装了光叶子花(Bougainvillea glabra)的线粒体基因组(mitogenome)和叶绿体基因组(plastome)，并系统比较了石竹目6个物种的细胞器基因组结构差异。研究发现紫茉莉线粒体基因组由3个环状分子(160.7/97.6/64.3 kb)组成，其结构重排速率是叶绿体基因组的6.1倍；转录组分析揭示了细胞器非编码区广泛的转录活性，鉴定出125个新型转录本；RNA编辑分析显示线粒体编辑位点(453个)十倍于叶绿体(43个)，70%位于编码区非沉默位点。该研究为理解石竹目植物细胞器基因组进化提供了重要理论依据。

　　

在植物进化研究中，细胞器基因组如同记录生命演化的"分子化石"，但长期以来，人们对石竹目这一包含众多经济作物的植物类群，其细胞器基因组的演化规律仍知之甚少。特别是紫茉莉科植物，作为热带地区重要的观赏物种，其线粒体基因组结构如何？与叶绿体基因组相比有何独特进化特征？这些问题的解答对理解植物适应性进化具有重要意义。

中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业农村部热带作物基因资源与种质创制重点实验室的研究团队在《BMC Genomics》发表重要成果。研究人员采用PacBio长读长测序技术，成功组装了光叶子花(B. glabra)的完整叶绿体基因组(154.7 kb)和由三个环状分子组成的线粒体基因组(总长322.7 kb)，并利用链特异性RNA测序揭示了细胞器基因组的转录特征。

关键技术包括：(1)采用PacBio Sequel平台进行高深度(100×)全基因组测序；(2)使用OrganellarRef_PBA流程从混合测序数据中分离组装细胞器基因组；(3)基于Illumina Hiseq Xten平台的链特异性RNA测序(57.1 million reads)分析转录本；(4)通过REDItools检测RNA编辑位点；(5)运用MAFFT和PAML进行比较基因组学和进化速率分析。

主要研究结果

细胞器基因组结构特征

研究发现B. glabra线粒体基因组呈现三染色体结构(160.7/97.6/64.3 kb)，GC含量(44.1%)显著高于叶绿体基因组(36.4%)。与叶绿体基因组保守的四分体结构不同，线粒体基因组缺乏>1 kb的大片段重复，但<1 kb的重复序列含量高达20.6%，是叶绿体的7.1倍。

转录组特征

转录组分析发现81.6%的reads来源于叶绿体基因组。鉴定出33个叶绿体新型转录本(均为反义转录本)和92个线粒体新型转录本，其中10个可能具有编码潜能。特别发现跨越ndhB内含子的反义转录本BVpt_33(960 bp)，比已知同类转录本长近一倍。

RNA编辑特征

线粒体转录本的RNA编辑位点(453个)十倍于叶绿体(43个)，70%位于编码区非沉默位点，编辑效率>70%。丝氨酸(S)和脯氨酸(P)密码子是主要编辑靶点，89%的S密码子被编辑为疏水性亮氨酸(L)。

进化动力学比较

石竹目线粒体基因组的DNA更替速率(0.7-1.5%/Myr)是叶绿体的8倍。但有趣的是，叶绿体蛋白编码基因的核苷酸替代速率(d_S=5.5×, d_N=1.6×)反而高于线粒体。光合复合体基因的选择压力显著高于核糖体蛋白基因(d_N低1.8-5.2倍)，线粒体氧化磷酸化基因也呈现类似模式。

研究意义

该研究首次揭示了紫茉莉科植物细胞器基因组的"快结构、慢序列"独特进化模式——线粒体基因组结构高度动态但编码序列保守，叶绿体则相反。发现的12个保守基因簇(如trnC-trnN-trnY-nad2)为石竹目系统发育研究提供了新标记。非编码区广泛转录现象的发现，为理解细胞器基因调控网络开辟了新视角。Zhang Shuo等建立的细胞器基因组分离组装方法，为其他非模式植物的细胞器研究提供了技术范式。这些发现不仅丰富了植物基因组进化理论，也为紫茉莉等观赏植物的分子育种奠定了重要基础。