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前沿進(jìn)展 | 汪小全研究員課題組揭示裸子植物線粒體丟失基因的進(jìn)化命運(yùn)
研究背景
線粒體經(jīng)內(nèi)共生事件起源后，丟失了大量的基因，演變?yōu)榘胱灾餍约?xì)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(dòng)物和其它真核生物（其蛋白質(zhì)編碼基因含量較穩(wěn)定），陸地植物的多個(gè)支系中線粒體基因的轉(zhuǎn)移/丟失經(jīng)常發(fā)生。因此，植物線粒體編碼基因的組成以及丟失基因的進(jìn)化命運(yùn)引起了大量關(guān)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(gè)科共約1000余種。以往研究發(fā)現(xiàn)，裸子植物的線粒體基因組成在不同支系之間存在非常大的差異，為探討線粒體丟失基因的進(jìn)化命運(yùn)提供了一個(gè)良好的體系。
裸子植物線粒體基因轉(zhuǎn)移和丟失的模式
中國植物學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)、中科院植物所汪小全研究團(tuán)隊(duì)對(duì)裸子植物所有13個(gè)科的代表性物種進(jìn)行DNA和cDNA高通量測(cè)序，并對(duì)其線粒體基因組進(jìn)行了拼接。通過對(duì)基因的測(cè)序深度及其在基因組中的相對(duì)拷貝數(shù)、結(jié)構(gòu)、RNA編輯位點(diǎn)、進(jìn)化速率、GC含量及蛋白質(zhì)疏水性等方面進(jìn)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(jìn)化命運(yùn)；同時(shí)結(jié)合已發(fā)表的陸地植物線粒體基因組數(shù)據(jù)，探討了陸地植物線粒體基因組成差異的影響因子。
該研究發(fā)現(xiàn)：（1）蘇鐵類、銀杏和松科植物的線粒體基因組編碼全部41個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，而Conifer II（除松科外的其它松柏類植物）和倪藤類植物的線粒體基因數(shù)目大幅減少。在Conifer II中，線粒體基因的轉(zhuǎn)移非常頻繁，但直接丟失很少發(fā)生；在倪藤類植物中，線粒體基因的轉(zhuǎn)移和丟失均非常頻繁。在Conifer II和倪藤類中，有五個(gè)相同的基因轉(zhuǎn)移到核基因組，但這些基因的轉(zhuǎn)移是在兩個(gè)支系各自的共同祖先中獨(dú)立發(fā)生的。（2）與被子植物中的線粒體基因轉(zhuǎn)移/丟失事件（通常發(fā)生在某個(gè)屬甚至某個(gè)種中）相比，在裸子植物中（除麻黃屬外），大部分線粒體基因轉(zhuǎn)移/丟失事件發(fā)生得非常早。（3）根據(jù)轉(zhuǎn)移基因的RNA編輯位點(diǎn)分布及內(nèi)含子數(shù)目和相位的差異，推測(cè)Conifer II和倪藤類植物的線粒體基因可能通過兩步轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)移，即反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座和后續(xù)DNA介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移。（4）基于本研究獲得的裸子植物線粒體基因數(shù)據(jù)，結(jié)合已發(fā)表的陸地植物線粒體基因組進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)基因長(zhǎng)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(guān)。
上述研究成果“Both Conifer II and Gnetales are characterized by a high frequency of ancient mitochondrial gene transfer to the nuclear genome”于2021年7月30日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊BMC Biology。
汪小全研究團(tuán)隊(duì)已畢業(yè)的博士生闞勝龍為論文的第一作者，汪小全研究員和冉進(jìn)華研究員為共同通訊作者。該研究得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。
汪小全研究員
個(gè)人簡(jiǎn)介
汪小全研究員主要從事植物進(jìn)化生物學(xué)、生物地理學(xué)和分子生態(tài)學(xué)等研究，近年來在裸子植物的系統(tǒng)發(fā)生、進(jìn)化與生物地理學(xué)及青藏高原植物進(jìn)化生物學(xué)和譜系生物地理學(xué)等研究方面取得了重要成果，相關(guān)研究成果發(fā)表在PNAS, Molecular Biology and Evolution，Proceedings of the Royal Society B-Biological Sciences 等進(jìn)化生物學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的國際主流雜志上。
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