细胞器基因组揭示了濒危植物Primula mallophylla的适应性进化及其系统发育位置

《Frontiers in Plant Science》：Organelle genomes reveal adaptive evolution and phylogenetic position of the endangered Primula mallophylla

物种适应性进化与系统发育关系研究。

　　本研究首次对濒危植物 Primula mallophylla 的完整线粒体和叶绿体基因组进行了测序与组装，为理解其遗传进化和保护策略提供了重要的基因组资源。作为 Primula 属中的一个重要物种，P. mallophylla 主要分布于海拔超过2000米的高山环境，这使其成为研究环境适应性和系统发育演化的理想对象。然而，由于缺乏系统的基因组信息，对该物种的进一步研究一直受到限制。通过本研究，我们不仅揭示了 P. mallophylla 的基因组特征，还深入探讨了其在系统发育树中的位置，以及其基因组在适应高海拔环境中的进化机制。

在基因组结构方面，P. mallophylla 的线粒体和叶绿体基因组均呈现出典型的环状结构。线粒体基因组大小为340,219 bp，GC含量为45.57%，而叶绿体基因组大小为150,733 bp，GC含量为37.09%。叶绿体基因组具有保守的四分体结构，包含一个大单拷贝区（LSC）、一个小单拷贝区（SSC）以及两个反向重复区（IRs）。这种结构在许多高等植物中普遍存在，表明其在叶绿体基因组进化过程中保持了较高的稳定性。相比之下，线粒体基因组的结构更为复杂，包含更多的重复序列，并经历了显著的基因组重排。这些重复序列可能在基因表达调控和适应环境压力方面发挥重要作用，为线粒体基因组在植物适应性进化中的独特地位提供了支持。

在基因组的重复序列分析中，我们发现线粒体基因组比叶绿体基因组具有更丰富的重复类型。线粒体基因组中检测到了111个简单重复序列（SSRs）、6个串联重复和196个分散重复，这些重复广泛分布于基因组的不同区域。其中，A/T单体重复占据主导地位，占总重复序列的44.14%。而叶绿体基因组的重复序列相对保守，主要包括36个SSRs、15个串联重复和29个分散重复。值得注意的是，叶绿体基因组中的重复序列主要集中在SSR上，而线粒体基因组则以分散重复为主。这种差异可能与两种基因组在结构和功能上的不同有关，线粒体基因组因其复杂的基因重组和转移机制，更易积累多样性。

RNA编辑事件的预测是本研究中的重要组成部分。我们利用 Deepred-mt 模型对线粒体基因组的37个蛋白质编码基因（PCGs）进行了分析，共预测了475个RNA编辑位点。其中，ccmB 和 mttB 基因表现出最高的编辑频率，这可能与它们在维持线粒体呼吸链和能量代谢中的关键作用有关。RNA编辑过程主要涉及将胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U），使得编辑后的蛋白质序列更接近其他物种的同源序列，从而增强序列的保守性和基因表达效率。此外，我们发现44.21%的RNA编辑事件导致了从亲水性到疏水性氨基酸的转变，这可能有助于蛋白质的折叠和功能优化。然而，由于模型预测可能存在一定的假阳性，因此本研究的结果更多地反映了 P. mallophylla 线粒体RNA编辑的潜在特征。

在密码子使用偏好分析中，我们发现 P. mallophylla 的线粒体和叶绿体基因组均表现出一定的密码子使用偏倚。线粒体基因组中，29个密码子的相对同义密码子使用（RSCU）值超过1，其中以GCU（编码丙氨酸）最为显著，RSCU值为1.6。叶绿体基因组中，29个密码子的RSCU值同样超过1，其中以UUA（编码亮氨酸）最为突出，RSCU值为2.03。此外，线粒体和叶绿体基因组中，大多数密码子以A/U结尾，显示出对A/U碱基的偏好。这种密码子使用偏倚可能受到突变压力、自然选择和遗传漂变的影响，进一步揭示了植物适应性进化的分子机制。通过ENC-GC3s分析，我们发现某些基因的编码偏好可能与自然选择密切相关，而非仅仅由GC含量驱动。

在基因转移和进化压力分析方面，我们检测到线粒体和叶绿体基因组之间存在9个同源片段（MTPTs），总长度为2,028 bp，占线粒体基因组总长度的0.60%。这些同源片段主要来源于叶绿体基因，包括多个tRNA基因，表明线粒体基因组在进化过程中可能通过基因转移机制获得了部分叶绿体基因。这种现象在植物中较为常见，尤其是叶绿体到线粒体的水平基因转移（HGT），可能对线粒体功能的维持和适应性进化具有重要意义。此外，我们还对不同基因组的进化压力进行了分析，发现叶绿体基因组的 rpl22 和 rbcL 基因在 Primula 属中表现出显著的正向选择信号，这可能与其在高海拔环境中适应光合作用和蛋白质合成功能有关。而 P. mallophylla 的线粒体基因组中，atp4、ccmB 和 ccmFN 基因显示出正向选择的迹象，表明它们可能在特定的环境压力下经历了适应性进化。

在系统发育分析中，我们基于线粒体和叶绿体基因组的PCGs构建了多棵系统发育树，包括16个物种的DNA序列和codon-partitioned数据集。结果表明，无论是最大似然法（ML）还是贝叶斯推断（BI）分析，这些系统发育树的拓扑结构高度一致，进一步支持了线粒体和叶绿体基因组在系统发育分析中的可靠性。然而，不同基因组的系统发育结果在某些分支上仍存在差异，这可能反映了不同基因组在进化速率、基因重排和遗传信号方面的不同。此外，基于完整叶绿体基因组的系统发育分析将 Primula 分为三个主要的进化分支，揭示了该属内部复杂的系统发育关系。特别是，sect. Proliferae 并非单系群，表明其在传统分类系统中可能存在问题。通过比较叶绿体基因组的结构和边界，我们发现 P. mallophylla 与 P. stenodonta、P. bulleyana、P. beesiana 和 P. chungensis 的关系更为紧密，这可能意味着这些物种在进化过程中经历了相似的适应性变化。

在比较基因组学分析中，我们发现 P. mallophylla 的线粒体基因组与近缘物种 P. sikkimensis 之间存在较多的基因重排现象，而叶绿体基因组则表现出更高的保守性。这种差异可能与两种基因组在进化过程中的不同作用有关。线粒体基因组由于其较高的变异性和复杂的重组机制，可能在物种分化和适应性进化中发挥更为重要的作用，而叶绿体基因组则因其母系遗传和相对保守的结构，更适用于系统发育分析和种群遗传研究。此外，我们通过mVISTA和IRscope等工具对叶绿体基因组的结构进行了详细比较，发现不同物种的叶绿体基因组在非编码区域和反向重复区存在显著的差异，而编码区域则相对保守。

综上所述，本研究首次对 P. mallophylla 的线粒体和叶绿体基因组进行了全面解析，揭示了其基因组的结构特征、重复序列分布、RNA编辑事件和密码子使用偏倚。通过系统发育分析，我们进一步明确了该物种在 Primula 属中的进化地位，并发现了其在适应高海拔环境中的潜在适应性进化机制。此外，研究还揭示了线粒体和叶绿体基因组在进化过程中可能存在的基因转移和重组现象，为理解植物基因组的动态演化提供了新的视角。这些发现不仅有助于澄清 Primula 的分类争议，还为濒危植物的保护遗传学研究提供了重要的理论基础和实践指导。未来，随着更多植物基因组数据的积累，我们有望进一步揭示 Primula 属的系统发育关系和适应性进化机制，为相关研究提供更全面的支持。