核编码核酸内切酶 MTI1：葫芦科植物线粒体父系遗传的关键调控因子

在真核生物中，线粒体非孟德尔遗传机制不明。研究人员以黄瓜属植物为对象开展线粒体遗传研究，鉴定出调控线粒体遗传的基因 MTI1。该研究揭示了核编码基因在非孟德尔线粒体遗传中的作用，为线粒体遗传学研究开辟新方向。

　　线粒体，这个细胞中的 “能量工厂”，不仅为细胞的各种活动提供能量，还在呼吸、细胞凋亡和新陈代谢等众多关键过程中扮演着不可或缺的角色。它拥有自己的基因组（mtDNA），其遗传模式却与遵循孟德尔定律的核基因大不相同。在几乎所有的真核生物中，mtDNA 通常是母系遗传的，也就是说，精子携带的父系线粒体虽然能在受精后进入卵子的细胞质，但父系 mtDNA 却很少能传递给后代。这就像一场神秘的遗传 “游戏”，规则至今尚未完全明晰。科学家们一直好奇，为什么 mtDNA 大多时候只跟着母亲的 “脚步” 遗传？偶尔出现的父系或双单亲遗传又是怎么回事？这些问题就像一团迷雾，笼罩在线粒体遗传学的研究领域，吸引着无数科研人员去探索。

在植物界，黄瓜属植物（如黄瓜和甜瓜）却打破了常规，它们的 mtDNA 呈现出父系遗传的特点，这使得它们成为研究线粒体遗传机制的绝佳模型。浙江农业科学院蔬菜研究所等研究机构的研究人员敏锐地抓住了这个独特的现象，开展了一系列深入的研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

为了深入探究黄瓜属植物线粒体遗传的奥秘，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们首先通过与线粒体突变体 MSC16 杂交构建了筛选线粒体遗传突变体（mti）的工具，并利用基于群体的基因定位技术（BSA - seq）和精细遗传作图，成功锁定了关键基因 MTI1。之后，借助 CRISPR - Cas9 基因编辑技术对 MTI1 进行敲除验证，明确其功能。同时，运用 RNA 测序（RNA - seq）分析基因表达变化，采用定量 PCR 检测基因表达量，还通过核酸内切酶活性实验等方法探究 MTI1 的作用机制。

下面让我们一起来看看研究的具体成果：

• 开发线粒体特异性标记：研究人员利用黄瓜线粒体突变体 MSC16，针对 mtDNA 特定区域开发了 dCAPS 标记（rps7^SNP(GA/TC)）。通过该标记，他们发现与 MSC16 杂交的后代中，少量野生型（WT）植株出现是由于母系 mtDNA 渗漏，而非之前认为的 WT 亚线粒体分选，这为后续筛选突变体奠定了基础。
• 筛选自然突变体：研究人员用 78 个黄瓜品种与 MSC16 杂交，筛选出黄瓜品系 P3A。P3A 与 MSC16 杂交的后代中，WT 表型植株比例高，呈现独特的双单亲 mtDNA 传递模式。进一步研究发现，WT 和 MSC 后代的主要差异在于母系 mtDNA 的拷贝数，WT 表型的完全恢复需要母系 WT mtDNA 达到关键阈值。
• 精细定位、克隆和验证 MTI1 基因：研究人员构建了 F₁和 F₂群体进行遗传定位分析，确定了控制线粒体遗传的单基因位点 MTI1。通过精细定位和生物信息学分析，找到候选基因 CsaV3_3G040940。利用 CRISPR - Cas9 技术在黄瓜品系 CU2 中敲除 MTI1，获得的突变体与 MSC16 杂交结果表明，MTI1 基因决定了母系 mtDNA 的命运，进而控制线粒体遗传。
• MTI1 具有镁离子依赖的核酸内切酶活性：体外实验中，重组 MTI1 - His 蛋白能够在镁离子存在的情况下降解质粒 DNA，而 P3A 中的突变蛋白 MTI1^truc - His 降解能力较弱，且热变性或加入 EDTA 会抑制 MTI1 - His 的活性，说明 MTI1 具有镁离子依赖的核酸内切酶活性。体内实验中，过表达 MTI1 的黄瓜毛状根细胞中 mtDNA 降解明显，且 MTI1 转录本与线粒体共定位，证实 MTI1 是核编码且定位于线粒体的核酸内切酶，影响后代母系 mtDNA 水平，决定 mtDNA 的传递。
• MTI1 在受精后降解母系 mtDNA，可能通过泛素化标记：原位杂交和 qRT - PCR 分析表明，MTI1 主要在授粉后 24 小时内表达，说明其介导的母系 mtDNA 降解发生在受精后不久。RNA - seq 分析发现，MTI1 基因编辑植株中，蛋白泛素化通路显著富集，且敲除系中总蛋白的泛素化水平高于野生型，推测泛素化可能参与了线粒体的识别和选择性降解过程。
• MTI1 在黄瓜属驯化过程中存在选择印记：对黄瓜和甜瓜不同地理起源的种质资源进行分析，发现 MTI1 基因区域在驯化过程中经历了选择。在驯化的黄瓜和甜瓜群体中，MTI1 周围基因组区域的核苷酸多样性（π）低于野生群体，表明该基因在驯化过程中受到正向选择，可能与黄瓜属植物保留 mtDNA 父系遗传特性有关。

综合来看，研究人员发现了核编码但定位于线粒体的基因 MTI1 在黄瓜属植物线粒体非孟德尔遗传中起着关键作用。当卵细胞携带野生型 MTI1 等位基因时，受精后母系 mtDNA 被降解，父系 mtDNA 主导；当携带突变的 mti1 等位基因时，母系 mtDNA 得以保留，出现双单亲 mtDNA 共存的情况。该研究首次明确了核编码的线粒体靶向核酸内切酶参与植物线粒体遗传调控，为深入理解线粒体遗传机制提供了重要依据。同时，MTI1 在黄瓜属驯化过程中的选择印记，也为探究线粒体遗传的进化意义提供了新线索。不过，黄瓜属植物为何进化出父系线粒体遗传，以及 MTI1 受选择的具体机制等问题，仍有待进一步研究。未来，随着研究的深入，有望揭开线粒体遗传更多的神秘面纱，为生命科学领域的发展注入新的活力。