植物线粒体基因组3分文章案例分享：望春玉兰线粒体草图及被子植物线粒体系统基因组学

作者：张馨予

本文是深圳仙湖植物园发表在《PLoS One》（Q2=3.240）题为“The draft mitochondrial genome of Magnolia biondiiand mitochondrial phylogenomics of angiosperms”的研究成果。该研究测序了望春玉兰线粒体基因组，通过分析基因组特征、重复序列及重组率，系统发育关系，质体片段转移等研究揭示早期开花植物线粒体基因组的多样性、进化及mt基因组重复介导的重组。本研究为木兰科植物与真双子叶植物、单子叶植物姐妹关系分支提供了证据。

原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0261196

研究背景

植物线粒体（mt）基因组大约是动物的100-10000倍，由于重组频繁，其结构更加复杂。基因组大小受基因丰富度、内含子丰富度、细胞核、叶绿体及外源基因整合序列的影响，大小66 Kb-11.3 Mb ，含13-60个编码基因。迄今为止即使两个植物为同一物种的不同材料，也没有相同的基因顺序，这与陆地植物质体基因组的保守结构进化形成鲜明对比。植物mtDNA的结构流动性与重复序列的重组活性有关，如通过反向重复进行的基因组同源重组将导致反转，正向重复将导致主基因组细分为亚环。所以植物mtDNA通常包含主环构象及共存的多种重排的亚环。如果这些结构变异型中的一个遗传给后代，基因顺序可能会在两代内发生改变。这表明重复重组频率和重复长度与物种本身关。一般来说，序列相似性高的长重复序列（>1000bp）更容易重组，中等重复序列（100-1000bp）偶尔重组，短重复序列（<100bp）很少重组。

被子植物约250000种，是陆地植物主要谱系，也是陆地生态系统的主要植被。了解被子植物的核、质体和线粒体的基因组进化，特别是早期分化谱系的基因组进化具有重要意义。四个被子植物mtDNA在许多方面表现出极大的多样性，无油樟长3.9Mb，含绿藻、苔藓和其他被子植物的六种外源mtDNA片段。蓝星睡莲mtDNA有最丰富的重复序列，但只有少数表现出重组。扩大早期被子植物mtDNA取样有助于深入了解被子植物mtDNA多样性和进化。

最近两个独立的系统基因组及北美木兰属植物核基因组分析导致北美木兰属在分类学上存在争议。北美木兰属植物为真双子叶植物和单子叶植物的姐妹，与质体系统基因组分析一致。北美木兰属植物与单子叶植物和真双子叶植物在质体和核证据之间存在分类学争议，需要通过线粒体系统基因组学进一步验证，利用线粒体系统基因组学分析北美木兰属植物的系统发育位置。

材料和方法

线粒体基因组组装和注释

从望春玉兰的全基因组中获得线粒体基因组，CTAB法获得总DNA， Oxford Nanopore测序平台测序，深度10X ，以北美鹅掌楸作为参考基因组得到一条长967,100 bp的conting，然后组装成环。PCGs 和rRNAs通过NCBI Blastn 注释，Geneious software 注释内含子和外显子，tRNAscan-SE 2.0检测tRNAs，Blastn 注释细胞核和质体的同源片段。获得望春玉兰组装的线粒体基因组并上传NCBI 获得登录号MN206019，利用OGDraw 1.2 获得可视化的环状线粒体基因组圈图。

重复和重复介导的同源重组

从校正的Nanopore reads建立了mt数据库，获得174,003 reads，平均长度 22,527 bp，总长度3,919,721,246 bp。对blast同源性>85%的50-29306bp重复进行重复介导的同源重组，每个重复序列对构建了四个或八个参考序列。

系统发育关系

NCBI下载82个线粒体基因组，包括24个目，2个裸子植物做外群，81个被子植物（每个属只有一个）；序列为基因组的38个PCGs。

结果和讨论

基因组测序和组装

植物线粒体基因组3分文章案例分享：望春玉兰线粒体草图及被子植物线粒体系统基因组学

测序获得12,836,970 reads，平均长度 13,492 bp，校正获得 5,858,689 reads，平均长度14,839 bp，经过组装获得 995,279 bp 环状DNA 结构。然而，在整个基因组读取映射文件中，拉长区域的覆盖率很低（7×）表明这个假定的环状分子可能是亚环水平上另一种构象。因为植物中存在线性或分支mt基因组，所以决定将mt contig称为望春玉兰mt基因组草案。

基因组大小和基因含量

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