Aria alnifolia叶绿体和线粒体基因组从头组装揭示重复序列介导的同源构象变化及基因转移的进化意义

本研究通过PacBio长读长和Illumina短读长测序技术，首次完成观赏树种Aria alnifolia叶绿体（160,303 bp）和线粒体（455,361 bp）基因组的组装，揭示12个双分支结构（DBSs）介导的线粒体基因组动态重组特征，发现psaA基因从叶绿体向线粒体的转移事件，为蔷薇科植物细胞器基因组进化提供新见解。

　　

在植物进化研究中，细胞器基因组的动态变化一直是谜题。叶绿体（CP）基因组通常结构稳定，而线粒体（MT）基因组却以复杂的多态性著称——从14 kb到惊人的11.7 Mbp，其环形、线形和超螺旋状态共存，重复序列介导的重组更让组装工作举步维艰。这种复杂性在蔷薇科植物中尤为突出，该科包含众多具有重要生态和经济价值的物种。Aria alnifolia（又称朝鲜花椒树）作为东亚特有的观赏树种，其线粒体基因组此前尚未被探索，这限制了人们对该物种及其近缘类群进化机制的理解。

韩国国立树木园（Korea National Arboretum）的研究人员Young-Ho Ha团队在《BMC Genomics》发表的研究，首次采用混合测序策略破解了这一难题。他们结合PacBio长读长和Illumina短读长数据，成功组装出455,361 bp的线粒体基因组和160,303 bp的叶绿体基因组。通过创新性地运用双分支结构（DBSs）分析方法，揭示了重复序列如何像"分子剪刀"般重塑基因组构象，更意外捕获了光合系统I核心基因psaA从叶绿体"跳槽"至线粒体的关键证据。

关键技术包括：1）PacBio Sequel和Illumina NOVAseq双平台测序；2）MitoHiFi和NOVOPlasty混合组装策略；3）Bandage软件可视化DBSs结构；4）MAFFT比对验证重组事件；5）REPuter分析239个≥30 bp的分散重复序列。

【叶绿体基因组组装】

研究获得160,303 bp的典型四分区结构（LSC/SSC/IRs），GC含量36.5%。与已发表版本（MZ145061）比较发现617 bp插入（trnR-UCU-atpA区）和256 bp缺失（trnC-GCA-petN区），提示该物种存在种群基因组变异。

【线粒体基因组结构动态】

455,361 bp的线粒体基因组（GC 45.2%）呈现"主环-亚环"动态平衡。Bandage分析鉴定出12个DBSs，其中EDGE_7（2,602 bp）和EDGE_33（2,745 bp）这两个"巨型铰链"通过F1R1/F2R2等四种连接方式（表3），驱动形成三种主构象和两种亚环结构。SSRs分析显示线粒体重复序列（128个）显著多于叶绿体（69个），特别是≥2 kb的长重复成为重组热点。

【跨细胞器基因转移】

Circos图谱揭示叶绿体44,674-42,950 bp区段（含psaA）与线粒体91,515-93,633 bp区存在89%序列相似性。尽管线粒体版psaA以非经典UUG（Leu）起始，但其1,935 bp开放阅读框仍保持94%氨基酸相似性，41条PacBio读段完全覆盖该区域，强烈支持自然转移而非组装假象。

【系统发育启示】

基于30个保守PCGs的ML树显示A. alnifolia与Pyrus聚枝（bootstrap=81%），但蔷薇科线粒体基因组共线性差，暗示重复序列驱动的剧烈重排可能模糊了近缘物种的进化信号。

这项研究首次绘制了Aria属细胞器基因组蓝图，其创新性体现在三方面：1）建立DBSs分析流程，破解植物线粒体"构象迷宫"；2）发现psaA基因跨细胞器转移的罕见案例，为研究细胞器间通讯提供新线索；3）证实长重复序列（>2 kb）是基因组重塑的关键驱动力。尽管线粒体基因组在系统发育应用上仍面临挑战，但该工作为理解蔷薇科植物基因组的塑性进化树立了新范式，其混合组装策略更为复杂基因组研究提供了技术模板。未来需通过RNA测序等手段，探究这些动态变化如何影响植物的生理适应性。