线粒体基因表达、密码子使用偏好与进化速率的相关性揭示瓶尔小草组织分化特征

为探究植物线粒体基因表达水平（E）与进化速率（R）是否存在负相关，研究人员以瓶尔小草（Ophioglossum vulgatum）为对象，分析其线粒体基因表达、密码子使用偏好和进化速率。结果显示三者在不同组织存在差异，该研究为理解植物线粒体基因表达对进化模式的影响提供新视角。

　　在神秘的植物世界里，线粒体就像一个个小小的 “能量工厂”，为植物的生长和发育提供关键能量。不过，这些 “能量工厂” 在不同的植物组织以及发育阶段，数量和活性都不一样。科学家们一直好奇，到底是什么因素在影响分子进化速率呢？这就像在探索植物生命奥秘的道路上，遇到了一个神秘的谜题。过去，科学家发现基因表达水平似乎和进化速率有着某种联系，还提出了 E-R 负相关的理论。在叶绿体基因的研究中，也确实看到了表达水平和进化速率、选择压力呈负相关，和密码子使用偏好呈正相关。可让人疑惑的是，植物线粒体基因是否也存在这样的关系呢？这就成了科学家们想要解开的谜团。

为了找到答案，来自中山大学和华南农业大学的研究人员，把目光投向了一种特别的植物 —— 瓶尔小草（Ophioglossum vulgatum）。瓶尔小草属于蕨类植物，它不仅有着独特的形态，地上只有一片叶子，而且还有着重要的科学和药用价值。研究人员利用瓶尔小草的线粒体基因组和转录组数据，运用各种生物信息学方法，仔细分析了线粒体基因表达水平、密码子使用偏好、进化速率和选择压力在不同组织中的差异，还研究了它们之间的相关性。这项研究成果发表在了《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员为开展这项研究，主要用到了以下几个关键技术方法：首先，采集瓶尔小草的不同组织样本，进行线粒体测序和转录组测序，获取数据；然后，使用 SPAdes 软件组装线粒体基因组，利用 RSEM 软件计算转录本每百万映射读取数（TPM）；接着，运用 CodonW、EMBOSS 等软件进行密码子使用偏好分析；最后，选择代表性植物物种，构建系统发育树，计算非同义替换率（d_N）、同义替换率（d_S）和 d_N/d_S值。

线粒体基因表达水平的分析结果

研究人员通过计算瓶尔小草不同组织中线粒体基因的 TPM 值，发现根的平均 TPM 值最高，叶最低。茎的 TPM 值变异系数最大，孢子囊最小。不同组织间线粒体基因 TPM 值存在显著差异（P=0.0151<0.05）。除孢子囊和根的相关性不显著外，其他组织间表达水平两两比较均呈正相关，其中茎和叶的正相关系数最高。比如，细胞色素 c 氧化酶亚基（cox1、cox3）在孢子囊和叶中高表达，而细胞色素 b（cob）在孢子囊、叶和根中都高表达。

线粒体密码子的组成成分分析结果

在对线粒体密码子进行分析时，研究人员先排除了短序列并手动校正 RNA 编辑。结果发现，瓶尔小草线粒体基因组总密码子适应指数（CAI）为 0.1810，密码子偏好指数（CBI）为 -0.0470，最优密码子频率（Fop）为 0.3830，有效密码子数（ENC）为 54.98，ENC 值变异系数最小。密码子第三位更倾向于以 A/T 结尾，高频密码子中 89.66% 以 A/T 结尾。

中性绘图分析结果

线粒体基因平均 GC 含量为 43.61%，通过中性绘图分析，发现密码子第一、二、三位碱基组成相关性不强。这表明自然选择压力对瓶尔小草线粒体基因密码子使用偏好影响更大，而突变的作用相对较小。

ENC 绘图分析结果

绘制 ENC 绘图发现，部分线粒体基因散点靠近标准曲线，说明这些基因密码子使用偏好主要受突变影响；但多数基因偏离标准曲线，如 rps11 和 rps13，表明其密码子使用偏好更多受选择影响，整体上选择的作用大于突变。

奇偶规则 2（PR2）绘图分析结果

PR2 绘图分析显示，多数基因点远离中心，说明密码子使用偏好主要受选择影响。密码子第三位更倾向使用 T 或 G 碱基，且 T 碱基的使用频率高于 A 碱基，G 碱基高于 C 碱基。

进化速率和选择压力分析结果

研究人员构建系统发育关系，计算线粒体保守基因的 d_N、d_S和 d_N/d_S值。结果显示，所有基因 d_N/d_S值都在 0 - 1 之间，表明受到纯化选择。d_N与 d_S、d_N/d_S均呈显著正相关，且不同组间 d_N、d_S和 d_N/d_S存在显著差异（P<0.0001） 。

线粒体基因表达与密码子使用偏好相关性的组织差异分析结果

通过绘制热图分析 Spearman 秩相关系数，发现 CAI 与各组织表达水平呈正相关，在茎和叶中显著。ENC 值与孢子囊、茎、叶的表达水平呈负相关（茎中显著），与根呈正相关，但相关系数很小。除孢子囊外，GC 含量与各组织表达水平显著正相关。

线粒体基因表达与 d_N、d_S、d_N/d_S相关性的组织差异分析结果

同样绘制热图分析 Spearman 秩相关系数，发现 d_N与各组织线粒体表达 TPM 值呈不显著负相关；d_S与孢子囊表达呈不显著负相关，与茎、叶、根呈不显著正相关；d_N/d_S与各组织表达呈负相关，在叶和根中显著。

综合以上研究结果，研究人员发现瓶尔小草线粒体基因表达水平、密码子使用偏好和进化速率在不同组织中存在差异。并且，线粒体基因表达水平和进化速率在一定程度上支持 E-R 负相关，尽管在部分组织中不显著。这一研究为理解植物线粒体基因表达对核苷酸进化模式的影响提供了新的证据，也为后续研究植物线粒体基因的功能和进化机制奠定了基础，就像为探索植物生命奥秘的道路点亮了一盏新的明灯。