首个海南大叶种茶树线粒体基因组组装与比较分析揭示山茶属植物进化新见解

为解决海南大叶种茶树（Camellia sinensis var. assamica 'Hainan Dayezhong'）线粒体基因组数据缺失问题，研究人员采用Nanopore和Illumina双平台测序技术完成其首例完整线粒体基因组组装（793,531 bp）。研究发现其具有12条多分支结构、91.89%的C-to-U型RNA编辑偏好，以及1.93%的叶绿体来源基因转移（MTPTs）。系统发育分析表明该品种在山茶属中具有独立进化地位，为茶树分子育种和物种进化研究提供了关键基因组资源。

　　

在植物进化生物学领域，线粒体基因组因其独特的遗传特性成为研究物种起源和系统发育关系的重要工具。然而，作为中国特有珍贵茶树种质资源，海南大叶种茶树（Camellia sinensis var. assamica 'Hainan Dayezhong'）的线粒体基因组信息长期缺失，严重制约了对其遗传特性和进化地位的深入解析。这种生长于海南热带雨林区的乔木型茶树，不仅以“中国最早春茶”著称，更曾凭借其制作的CTC红茶荣获国际金奖。但由于山茶属植物存在高度杂合性和自交不亲和性，其基因组研究一直面临巨大挑战。

为破解这一难题，研究人员采用第二代Illumina NovaSeq 6000和第三代Nanopore PromethION测序技术相结合的策略，成功获得了总量达10.57 Gb的短读长和9.88 Gb的长读长数据。通过创新性组装流程（包括Minimap2比对、Miniasm初步组装、NextPolish校正和Unicycler整合），首次构建出海南大叶种茶树完整线粒体基因组图谱。研究还利用MITOFY和MFANNOT进行基因注释，通过OrthoFinder进行同源基因分析，采用MAFFT进行多序列比对，并运用RAxML和IQ-TREE构建系统发育树。RNA编辑位点预测通过转录组数据与基因组比对实现，而共线性分析则通过MCscanX完成。

研究结果揭示出四个关键发现：

基因组结构特征

组装获得的线粒体基因组总长为793,531 bp，GC含量45.80%，呈现典型的多分支复合结构，由12条contig组成。基因注释鉴定到70个功能基因，包括38个蛋白编码基因（PCGs）、28个tRNA基因、3个rRNA基因和1个假基因（rps19）。与18个山茶科物种比较发现，核糖体蛋白基因和琥珀酸脱氢酶基因存在显著变异，所有物种均丢失rps10基因。

密码子使用偏好与进化选择

在10,583个密码子中，亮氨酸（Leu）和丝氨酸（Ser）使用频率最高（分别占10.22%和9.37%）。29个密码子呈现使用偏好（RSCU>1），且第三位碱基多为A/U。Ka/Ks分析显示28个PCGs经历纯化选择（Ka/Ks<1），而ccmC、rps1和rps13基因则受到正向选择（Ka/Ks>1），表明这些基因在适应环境压力中发挥关键作用。

RNA编辑与基因转移

在17个PCGs中共预测到74个RNA编辑位点，其中91.89%为C-to-U类型。rps3基因编辑次数最多（10次），60.81%的编辑位点位于密码子第二位。研究发现33个叶绿体来源的基因转移片段（MTPTs），总长15,346 bp，占线粒体基因组1.93%，包含12个完整蛋白编码基因和9个tRNA基因。

系统发育与进化地位

基于38个保守PCGs构建的最大似然系统发育树显示，海南大叶种茶树与Camellia、Chrysantha和Oleifera三个节的物种形成独立分支，但支持率较低（BS=55）。而基于叶绿体基因组的分析则表明其与云南大叶种茶树（C. sinensis var. assamica）聚为一支（BS=81），显示细胞器基因组间的进化不一致性。

研究结论表明，海南大叶种茶树线粒体基因组具有山茶科植物典型的复杂结构特征和进化保守性。密码子使用偏好、RNA编辑模式和基因转移事件揭示了植物线粒体基因组的进化动态。虽然系统发育分析存在细胞器基因组间的冲突，但本研究为山茶属植物的分类学和进化研究提供了重要分子依据。该基因组数据的发布不仅填补了茶树线粒体基因组资源的空白，为后续功能基因研究和分子育种奠定了坚实基础，也为理解植物细胞器基因组进化提供了新模式。

这项研究于2025年发表在《BMC Plant Biology》（影响因子4.0），作为植物科学领域的重要期刊，该研究为茶树基因组学和进化生物学研究提供了宝贵的数据资源和理论支撑。