植物所揭示裸子植物線粒體丟失基因的進化命運

　　線粒體經內共生事件起源后，丟失了大量的基因，演變為半自主性細胞器。不同生物支系的線粒體基因組差異巨大，尤其是相較于動物和其他真核生物（其蛋白質編碼基因含量較穩定），陸地植物的多個支系中線粒體基因的轉移/丟失經常發生。因此，植物線粒體編碼基因的組成以及丟失基因的進化命運引發關注。

　　裸子植物代表了種子植物原五大支系的四大支，是被子植物的姐妹類群，包含13個科共約1000余種。已有研究發現，裸子植物的線粒體基因組成在不同支系之間存在較大差異，為探討線粒體丟失基因的進化命運提供了良好的體系。

　　中國科學院植物研究所研究員汪小全團隊對裸子植物所有13個科的代表性物種進行了DNA和cDNA高通量測序，并對其線粒體基因組進行了拼接。通過對基因的測序深度及其在基因組中的相對拷貝數、結構、RNA編輯位點、進化速率、GC含量及蛋白質疏水性等方面進行比較分析，揭示了裸子植物線粒體基因含量的變化及丟失基因的進化命運；結合已發表的陸地植物線粒體基因組數據，探討了陸地植物線粒體基因組成差異的影響因子。研究發現：（1）蘇鐵類、銀杏和松科植物的線粒體基因組編碼全部41個蛋白質編碼基因，而Conifer II（除松科外的其他松柏類植物）和倪藤類植物的線粒體基因數目大幅減少。在Conifer II中，線粒體基因的轉移非常頻繁，但直接丟失很少發生；在倪藤類植物中，線粒體基因的轉移和丟失均非常頻繁。在Conifer II和倪藤類中，有五個相同的基因轉移到核基因組，但這些基因的轉移是在兩個支系各自的共同祖先中獨立發生的。（2）與被子植物中的線粒體基因轉移/丟失事件（通常發生在某個屬甚至某個種中）相比，在裸子植物中（除麻黃屬外），大部分線粒體基因轉移/丟失事件發生得非常早。（3）根據轉移基因的RNA編輯位點分布及內含子數目和相位的差異，推測Conifer II和倪藤類植物的線粒體基因可能通過兩步轉移機制進行轉移，即反轉錄轉座和后續DNA介導的基因轉移。（4）基于該研究獲得的裸子植物線粒體基因數據，結合已發表的陸地植物線粒體基因組進行綜合分析，發現基因長度、GC含量、疏水性和核苷酸替代速率可能與陸地植物線粒體基因組的基因組成差異相關。

　　上述研究成果于7月30日發表于BMC Biology。研究工作獲得中科院前沿科學重點研究計劃、國家重點研發計劃專項、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等的支持。

　　裸子植物線粒體基因轉移和丟失的模式