青藏高原特有药用植物Phlomoides rotata线粒体基因组解析及其极端环境适应进化机制研究

本研究针对青藏高原特有濒危药用植物Phlomoides rotata的线粒体基因组（mitogenome）未解析问题，通过PacBio HiFi测序完成377,312 bp环状基因组组装，揭示其含32个PCGs、3个rRNA和12个tRNA基因。研究发现A/U偏好性密码子、445个C-to-U RNA编辑位点及13,075 bp回文重复序列等适应特征，首次证实12个叶绿体衍生片段（MTPT）的跨细胞器转移。系统发育分析明确其与Leonurus japonicus的近缘关系，为高海拔植物能量代谢适应与保护遗传学研究提供关键基因组资源。论文发表于《BMC Genomics》。

　　

在青藏高原的极端环境中，一种名为Phlomoides rotata的珍稀药用植物正面临生存危机。这种被藏医称为"达巴"的植物，以其独特的抗炎镇痛功效沿用数百年，却因过度采挖和栖息地退化被列为国家二级保护物种。更令人担忧的是，其低萌发率的种子难以维系种群延续，而适应高海拔环境的分子机制始终成谜。作为能量工厂的线粒体，其基因组（mitogenome）的变异可能隐藏着植物应对缺氧、强紫外线和低温的生存密码，但此前科学界对该物种线粒体基因组的结构与功能认知仍是一片空白。

西藏大学生态学研究中心的Houzhou Liu和Zhongqiong Tian等研究人员在《BMC Genomics》发表的研究，首次揭开了这一高原精灵的线粒体基因组奥秘。通过PacBio HiFi长读长测序技术，团队成功组装出全长377,312 bp的环状线粒体基因组，GC含量45.06%。研究采用比较基因组学策略，结合Illumina短读长数据验证，利用PMGA和tRNAscan-SE等工具完成基因注释，并通过Deepred-mt预测RNA编辑位点。系统发育分析整合27个保守蛋白编码基因（PCGs），揭示其与益母草的近缘关系。

线粒体基因组特征

研究显示该基因组含32个蛋白编码基因，包括5个ATP合成酶基因（atp1/4/6/8/9）和9个NADH脱氢酶基因（nad1-7,9）。值得注意的是，trnM-CAU基因出现三拷贝现象，而matR和rps10等基因呈现双拷贝特征。密码子使用偏好性分析揭示A/U结尾同义密码子的显著优势，如GCU（Ala）的RSCU值达1.62，暗示低温适应可能通过减少mRNA二级结构稳定性来优化翻译效率。

重复序列与基因组可塑性

研究发现81个SSR和184个分散重复序列，其中13,075 bp的回文重复堪称植物线粒体基因组中的"巨无霸"。这些重复元件通过同源重组介导的基因重排，可能动态调整氧化磷酸化复合体亚基的编码序列，从而优化低氧环境下的能量耦合效率。

RNA编辑的适应性调控

445个C-to-U编辑事件中，71%导致氨基酸改变（如Ser→Leu占22.25%），显著富集于密码子第二位点。特别在cox2和nad4L基因中，ACG→AUG编辑产生新起始密码子，揭示了转录后修饰在高原适应中的关键作用。

跨细胞器基因转移

12个叶绿体衍生片段（MTPT1-12）的鉴定证实了rpl23核糖体蛋白基因和6个tRNA基因的迁移事件。这些转移基因可能通过增强线粒体翻译机器稳定性，帮助植物应对高原环境的代谢压力。

系统发育与保护意义

基于27个保守PCGs构建的系统发育树（bootstrap支持率≥96%）将P. rotata稳固置于Lamiales分支，与Leonurus japonicus构成姊妹群。该研究不仅为濒危物种保护提供SSR分子标记，其揭示的A/U密码子偏好与重复序列扩张的协同适应机制，更为高海拔作物育种提供了新思路——通过调控trnM-CAU基因拷贝数可能提升植物在极端环境下的生存能力。

这项研究犹如打开了一扇窥探高原植物进化智慧的窗口，其揭示的线粒体基因组"变形记"——从重复序列驱动的结构重塑到细胞器间的基因"借调"，无不彰显着自然选择的鬼斧神工。这些发现不仅填补了青藏高原特有植物器官基因组研究的空白，更为理解植物如何"修炼"出征服极端环境的"内功心法"提供了分子图谱。