IF4.9 植物线粒体基因组|硬叶兜兰线粒体多染色体基因组：复杂片段化基因组

植物线粒体基因组 硬叶兜兰线粒体多染色体基因组：复杂片段化基因组和细胞内基因转移

Multichromosomal Mitochondrial Genome of Paphiopedilum micranthum: Compact and Fragmented Genome, and Rampant Intracellular Gene Transfer

时间：2023 杂志：Int. J. Mol. Sci. IF：4.9 分区：1/2区

背景导读

兰科是被子植物中最大的科之一，约有28000种（世界兰科名录）。所有兰花在发育初期都依赖菌根真菌进行种子繁殖，许多兰花在晚期也依赖菌根真菌提供营养。兰花和真菌之间的共生关系使兰花成为研究有丝分裂基因组进化的杰出候选者提供了一个理想的模型。然而，到目前为止，这个家族只有一个线粒体基因组草图。本研究提供了一个具有高经济和观赏价值的硬叶兜兰（Paphiopedilum micranthum）完整组装和注释的线粒体基因组序列。

研究目的

1、破译硬叶兜兰线粒体基因组的结构和基因含量，并将硬叶兜兰与天麻的线粒体基因组进行比较；

2、评估硬叶兜兰质体和线粒体基因组之间的细胞内基因转移，并线粒体基因和真菌之间的水平基因转移；

3、计算线粒体基因组中重复对的重组频率，并测试了重复长度与重组频率之间的关系。

研究对象

本研究从深圳国家兰花保护研究中心（NOCC）采集了硬叶兜兰新鲜叶片样本，抽提总DNA，通过MGI2000和PacBio RS-II平台进行测序。

研究方法

通过Canu软件组装三代数据，基于参考基因组通过SPAdes软件组装，NOVOPlasty组装获得多个环的线粒体基因组，通过Geneious软件进行基因注释。

主要结果

1、硬叶兜兰线粒体基因组的多染色体结构

硬叶兜兰线粒体基因组被组装成26条环形染色体，长度从5973bp到32281bp不等，总长度为447368bp（图1），平均GC含量为44.4%，染色体间的GC含量在40.4%-49.2%之间（表1）。

图1 硬叶兜兰线粒体基因组图谱，基因组由26个圆形组成的染色体。

表1 硬叶兜兰线粒体基因组一般特征

硬叶兜兰线粒体基因组编码70个基因，包括39个线粒体蛋白编码基因、12个质体衍生蛋白编码基因，16个tRNA基因和3个rRNA基因（rrn5、rrn18和rrn26）（图2，表2）。此外，保留了16个编码假定蛋白质的ORF。除了Chr2上rrn5的拷贝与天麻中注释的拷贝相同外，Chr22上的拷贝在5'端（88bp）被截短，并且比正常拷贝相对较短。每个染色体都有一到四个基因，而长度为14612bp的Chr18没有功能基因。大多数线粒体基因具有保守的基因长度，而一些基因的长度变化很大，例如，atp6扩增到1272bp，atp9扩增到327bp，sdh4收缩到204bp，并且这三个基因根据PREPACT中的预测进行了RNA编辑。此外，我们鉴定了25个II组内含子，包括19个顺式剪接内含子和6个反式剪接内含子，位于7个顺式拼接基因中（ccmFc、cox2、nad4、nad7、rpl2、rps3和rps10）和三个反式剪接基因（nad1、nad2和nad5）（图1，表2）。

图2 硬叶兜兰和部分被子植物蛋白质编码基因含量和II组内含子含量的比较

表2 硬叶兜兰线粒体基因组基因含量

硬叶兜兰的tRNA来自不同的来源，包括12种天然线粒体来源的tRNA、3种质体来源的tRNAs和1种细菌来源的tRNAs。在大多数已测序的被子植物线粒体基因组中出现的一些古老的质体到线粒体基因tRNA（如trnH-GUG和trnW-CCA）没有被检测到，这表明硬叶兜兰的线粒体基因组经历了基因丢失和获得。此外，基因同源性分析表明，在被子植物中报道的14个祖先基因簇中，硬叶兜兰的线粒体基因组包含8个，包括atp4-nad4L、rpl2-rps19-rps3-rpl16、rpl5-rps14-cob、rps13-nad1.x2.x3、rrnS-rrn5、trnfM（CAU）-rrnL、trnF（GAA）-trnP（UGG）和trnY（GUA）-nad2.x3.x5。

2、硬叶兜兰线粒体基因组中的水平基因转移或细胞内基因转移

硬叶兜兰线粒体基因组的26条染色体中，共有15条包含质体起源序列，编码12个完整的蛋白质编码基因、3个tRNA和29个pseu-dogenes（表2和表3）。除ψndhE、ψndfF和ψndh H外，其余基因均由硬叶兜兰质体鉴定。然而，Sinn和Barrett鉴定的270bp真菌线粒体基因组区在硬叶兜兰的线粒体基因中未检测到。

25个质体衍生片段的大小范围为165 bp至7269 bp，总大小为46273 bp，占整个有丝分裂基因组长度的10.34%，占硬叶兜兰质体的28.32%（图3，表3）。大多数源自质体的序列与其同种质体序列显示出高度相似性（84.2%-99.6%）（表3），并且12个源自质体的基因是完整的并且具有潜在的功能。此外，与没有质体起源序列的染色体相比，具有质体起源片段的染色体具有较低的GC含量，例如，Chr17的GC含量为49.2%，而Chr25的GC含量则为40.4%（表2）。

图3 硬叶兜兰质体和线粒体基因组之间的基因转移示意图。

表3 硬叶兜兰线粒体基因组中质体来源的区域。

3、硬叶兜兰线粒体基因组的重复序列

硬叶兜兰线粒体基因组检测到27个串联重复序列，长度从27bp-308bp不等，占硬叶兜兰线粒体基因组的1948bp；除了rrn26中的一个48bp重复序列外，这些重复序列位于基因组的非编码区，并且一些串联重复序列与分散的重复序列重叠。硬叶兜兰线粒体基因组有89个散在重复（34种类型），范围从51bp-672bp，有2-4个拷贝，覆盖基因组的9996 bp（2%）。这些重复序列中的大多数（87个，97.7%）是中等大小的重复序列（50-500bp），两个重复序列（672bp）是大重复序列（>500bp）（表S5），其中大多数重复序列位于非编码区。这些重复序列分布在26条染色体中的23条，Chr12、Chr25和Chr26不包含分散的重复序列（图4A）。我们发现有16对重复序列参与线粒体基因组结构的重组，而同源重组在短于300bp的重复序列中偶尔发生（图4B）。

图4 硬叶兜兰线粒体基因组的重组频率

4、硬叶兜兰和天麻线粒体基因组比较

硬叶兜兰和天麻线粒体基因组共有序列占18%（约81kb），包括37个蛋白质编码基因（33817 bp）和47121 bp的非编码区（图5）。与天麻线粒体基因组相比，这两个物种的基因含量非常相似，甚至顺式剪接内含子的长度也相似（表S4）。与天麻的19条染色体相比，硬叶兜兰26条染色体的GC含量变化更大。

图5 硬叶兜兰和天麻线粒体基因组的共线性分析

总结

本研究结合长读和短读数据准确地组装了硬叶兜兰线粒体基因组。硬叶兜兰线粒体基因组呈现典型的多染色体结构，并保留了大量来自质体的水平基因转移片段。考虑到基因组大小和染色体数量，硬叶兜兰线粒体基因组比大多数其他具有多染色体基因组结构的物种更为碎片化。长读长测序为质体到线粒体基因组的细胞内基因转移和重复介导的同源重组提供了有力的证据。通过对硬叶兜兰与天麻线粒体基因组的比较，揭示了兰科植物基因组的进化规律。尽管这两个物种的线粒体基因组具有相似的基因含量，但这两个品种的线粒体基因组仅共享81kb的线粒体基因组序列。考虑到两种兰花在基因组大小和染色体数量上的差异、重组频率高、种内基因组结构变异以及低共线性，我们对兰花有丝分裂基因组进化的理解相当有限。需要进一步的研究来揭示兰花的线粒体基因组进化。

本文来自：物种分类及进化研究-公众号