Science：线粒体融合实现基因“大迁徙”

　　

生物通报道：无油樟（Amborella trichopoda）只生长在南太平洋的一个小岛上，自成一目、一科、一属，是最古老的开花植物之一。线粒体是为植物供给能量的重要工厂，现在科学家们在无油樟的线粒体中，发现了重要的基因组扩张事件。

研究显示，无油樟的线粒体基因组，经历了史诗性的水平基因转移，获得了六个外源基因组，一个来自苔藓，三个来自绿藻，两个来自其他开花植物。文章于十二月二十日发表在Science杂志上。这是首次发现，一个细胞器能够捕获其他生物的整个基因组，也是首次展现陆生植物获取了绿藻的基因。

“无油樟的线粒体吞食了其他植物/藻类的整个基因组，并且将这些基因组完整的保存下来，”文章的资深作者，Indiana大学的Jeffrey D. Palmer说。

这一发现可以帮助人们进一步理解，真核生物之间是如何实现线粒体融合和基因转移的。文章指出，与无油樟和谐共生的植物，以及寄生在无油樟上的生物，都能通过无油樟上的伤口进行基因转移。

“装配出完整的无油樟线粒体基因组，是人们多年努力的成果，”Palmer说。“我们在此基础上发现，无油樟的线粒体基因组非常独特，可以为人们提供宝贵的信息。”

研究显示，无油樟的线粒体通过水平基因转移，吸收和保留了至少有一百万bp的DNA，这使其基因组膨胀到了三百九十万bp，而一般植物的线粒体基因组只有约五十万bp。动物线粒体在很久以前就停止了这种基因转移程序。

研究人员指出，植物能够与其他物种进行线粒体融合，从中获得新的特性，他们的研究为此提供了强有力的证据。

无油樟线粒体很容易接触到其他植物的线粒体，例如附着在无油樟表面生存的植物。当无油樟受伤时，其伤口就成为了不同线粒体直接接触的界面。由于随着时间的推移，线粒体的基因损失率很低，无油樟就慢慢拥有了巨型的线粒体DNA。

“尽管线粒体所含的基因数量相对较少，但植物的线粒体基因组，对基础代谢的影响却非常大。这是因为线粒体基因组编码了，大多数涉及呼吸作用的关键蛋白，”Palmer说。他还指出，植物线粒体基因的缺陷，会导致细胞质雄性不育，无法生成有功能的花粉，这是杂交育种中的一个重要问题。

 

生物通推荐原文摘要：

Horizontal Transfer of Entire Genomes via Mitochondrial Fusion in the Angiosperm Amborella

We report the complete mitochondrial genome sequence of the flowering plant Amborella trichopoda. This enormous, 3.9-megabase genome contains six genome equivalents of foreign mitochondrial DNA, acquired from green algae, mosses, and other angiosperms. Many of these horizontal transfers were large, including acquisition of entire mitochondrial genomes from three green algae and one moss. We propose a fusion-compatibility model to explain these findings, with Amborella capturing whole mitochondria from diverse eukaryotes, followed by mitochondrial fusion (limited mechanistically to green plant mitochondria) and then genome recombination. Amborella’s epiphyte load, propensity to produce suckers from wounds, and low rate of mitochondrial DNA loss probably all contribute to the high level of foreign DNA in its mitochondrial genome.