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为探究细胞内 DNA 转移（IDT）对植物基因组的影响，研究人员对毒芹（Cicuta virosa）进行研究。通过测序其质体、线粒体及核基因组，发现大量核质体 DNA（NUPTs）和线粒体来源核 DNA（NUMTs），揭示了细胞器与细胞核的 DNA 转移情况，为植物基因组进化研究提供重要依据。
在植物的微观世界里，基因就像一群活跃的 “小工匠”，它们在不同的 “工作间”—— 细胞器和细胞核之间频繁穿梭，忙碌地塑造着植物基因组的模样。长久以来，科学家们都知道，细胞器与细胞核之间的基因转移，对植物基因组的进化有着至关重要的影响。许多原本存在于细胞器基因组中的基因，会转移到细胞核基因组中，导致线粒体和质体基因组不断简化。这种转移不仅让关键的细胞器过程能更有效地被细胞核调控，还能保护基因免受细胞器内诱变环境的伤害。但到目前为止，细胞内 DNA 转移（IDT）的具体机制和带来的后果，仍然像一团迷雾，让科研人员难以捉摸。
为了揭开这团迷雾，来自韩国的研究人员开展了一项针对毒芹（Cicuta virosa）的研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，这一研究对于深入理解植物基因组进化有着重要意义。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们采集了毒芹的新鲜叶片，提取总基因组 DNA，构建 SMRTbell 文库，利用 PacBio Revio 平台进行测序。接着，使用 Hifiasm 软件进行基因组组装，通过一系列生物信息学工具，如 BLAST、ARAGORN、tRNAscan - SE 等对质体和线粒体基因组进行筛选、注释，还运用 ROUSFinder.py、Circos 等工具进行比较分析，确定重复序列、DNA 转移片段等。
下面来看看具体的研究结果：
- 基因组组装：利用 PacBio 平台对毒芹基因组测序，获得 79 Gb 的 HiFi reads，经 Hifiasm 组装得到 1,265.91 Mb 的草图。其中，质体基因组和线粒体基因组的覆盖深度分别为 24,030× 和 309×1。
- 细胞器基因组组织：毒芹质体基因组长度为 154,449 bp，呈典型的四分体结构，编码 79 个蛋白质编码基因、30 个 tRNA 和 4 个 rRNA 基因，GC 含量为 37.5%。线粒体基因组共 406,112 bp，组装成两条环形染色体，包含 58 个基因，其 GC 含量在两条染色体上有所不同，整体为 44.3%，还含有较多重复序列和转座元件23。
- DNA 在细胞器和细胞核之间的转移：通过 BLASTN 分析，在毒芹核基因组中检测到 6,686 个 NUPTs，覆盖了质体基因组的 99.93%；6,237 个 NUMTs，覆盖线粒体基因组的 77.04%。这些转移片段的序列同一性在 80 - 100% 之间，反映了不同时期的转移事件4。
- 细胞器和细胞核之间的功能基因转移：毒芹线粒体基因组中部分基因（如 rpl2、rps14 等）丢失，经研究发现这些基因转移到了细胞核中。通过对核编码基因的分析，发现它们具有不同的外显子 / 内含子模式，且可能定位于线粒体56。
- 毒芹线粒体基因组与其他 Apiaceae 科植物的比较：对比 11 种 Apiaceae 科植物的线粒体基因组，发现它们在结构、大小、重复 DNA 含量等方面存在差异。毒芹与水芹（Oenanthe）共享的序列较多，这反映了它们之间的亲缘关系78。
在研究结论与讨论部分，毒芹质体基因组结构和基因含量保守，而线粒体基因组在结构和基因内容上变化较大，基因丢失事件频繁发生。大量的 NUPTs 和 NUMTs 表明，从细胞器到细胞核的 DNA 转移是植物基因组进化的重要特征，这些转移序列可能参与核基因组扩张和进化创新。不同序列同一性的 NUPTs 和 NUMTs 暗示了 DNA 转移在不同进化时期发生，且线粒体到细胞核的近期转移更为频繁。此外，线粒体中存在许多 MIPTs，但未检测到 PLMTs，说明细胞器之间的相互作用持续影响着它们的遗传格局。
总的来说，这项研究成功解析了毒芹的线粒体、质体和核基因组，为理解 Apiaceae 科植物细胞器基因组的进化动力学提供了关键信息，让我们对植物基因组进化过程中细胞器与细胞核之间的相互作用有了更深入的认识，为后续相关研究奠定了坚实基础。
