植物也会发生线粒体基因组突变，但它们能修复，并且不会传递给后代

研究揭示了植物是如何发生线粒体基因组突变的。与人类不同，植物能够快速修复这些突变，更重要的是，它们不会将它们传递给后代。

　　

这些疾病会导致生长不良、肌肉无力、神经系统问题等，其机制在于线粒体内的基因，线粒体是产生细胞能量的细胞器。只从母亲遗传的线粒体基因组与我们通常认为的从母亲和父亲平等遗传的核基因组是分开的。

在人类和其他动物中，线粒体基因组具有极高的突变率，这些突变很容易从母亲传递给孩子。科学家们渴望了解更多关于为什么会出现这种高突变率，以及如何阻止它们，这样线粒体疾病就可以成为历史。

科罗拉多州立大学的生物学家是由美国国立卫生研究院资助的，他们寻求这些问题的答案，但他们不是医学研究人员——他们是植物生物学家。事实证明，从遗传学的角度来看，人类有很多东西要向植物学习，比如如何让我们的线粒体基因组免受导致疾病的突变。

植物是如何经历线粒体突变的?

生物系副教授丹·斯隆(Dan Sloan)实验室的研究科学家阿曼达·布罗兹(Amanda Broz)领导了一项最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的研究，揭示了植物线粒体基因组是如何发生突变的，尽管这种情况很少发生。与人类不同，植物能够迅速修复这些突变，更重要的是，不会将它们遗传给后代。

在之前的工作中，斯隆和他的实验室成员假设，在线粒体和叶绿体等植物细胞器中负责DNA复制、重组和修复的基因可能参与了保持这些细胞器健康和无突变的过程。他们研究了一种名为MutS同源基因1(简称MSH1)的基因，这种基因存在于植物中，但不存在于人类中。他们在实验室里用这种基因的突变培育植物，发现了这种基因对于保持植物中线粒体突变率较低至关重要的证据。

随后，他们进行了更详细的分析，试图了解线粒体和叶绿体基因组的突变是如何在植物内部和跨代传播的。他们发现，植物非常擅长分选正常(好的)和突变(患病)DNA，这在他们的新论文中有详细的描述。一旦分选过程发生，自然选择就会接管:继承了患病DNA的后代存活的可能性较小，因此突变不会遗传给后代。

相比之下，人类的患病DNA往往与好的DNA混在一起，并代代相传，因为这种分类能力的效率要低得多。用更专业的术语来说，植物从细胞间隔中去除异质——突变DNA和非突变DNA的同时存在——比动物和人类更快、更有效。

研究人员使用一种名为数字液滴PCR的敏感技术，对他们在一个名为拟南芥的物种中发现的线粒体突变进行了时间和空间上的跟踪。这项技术使他们能够分析这些植物中突变与正常线粒体DNA的数量。

回到那个特殊的基因:利用他们在实验室中培育的突变植物，CSU的生物学家发现，MSH1的功能性拷贝是加速植物线粒体DNA分类过程的原因。他们认为MSH1负责首先识别线粒体DNA的突变，并修复它们。然而，如果一个突变因为这样或那样的原因持续存在，MSH1也可以快速地将该突变从正常DNA中分离出来。

Broz说:“我们的工作非常酷的一点是，它说明了大自然如何设计出多种处理细胞器基因组突变的方法。”“我们知道，线粒体突变是导致人类衰老和疾病的关键因素之一。了解植物和其他生物是如何保持如此低的线粒体突变率的，可以让我们更好地了解这一过程在人类中是如何出错的，以及可能如何进行补救。”

研究人员要从他们的突变植物中了解更多。接下来，他们将创建一个数学模型，试图了解是什么细胞力量导致了他们在植物中观察到的细胞器DNA排序的不同比率，以及MSH1在这一过程中扮演了什么角色。该项目的这一部分由挪威卑尔根大学的合作者领导。他们还在研究，除了拟南芥以外，MSH1是否对其他植物类型的线粒体DNA排序也有同样的影响，比如具有非常不同的发育模式的树木。

Journal Reference:

1. Amanda K. Broz, Alexandra Keene, Matheus Fernandes Gyorfy, Mychaela Hodous, Iain G. Johnston, Daniel B. Sloan. Sorting of mitochondrial and plastid heteroplasmy in            Arabidopsis            is extremely rapid and depends on MSH1 activity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (34) DOI: 10.1073/pnas.2206973119