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为探究箭叶大油芒（Spodiopogon sagittifolius）分子系统发育关系等问题，研究人员组装注释其线粒体基因组，揭示其进化特征，为保护和驯化提供依据。
在植物的奇妙世界里，禾本科植物是一支极为重要的家族，它们在地球生态系统中扮演着关键角色。箭叶大油芒作为禾本科黍亚科的一员，是中国云南特有的 C
4植物，不仅是可食用资源，还被列为国家二级保护植物。然而，由于人类活动导致的栖息地破坏，它的种群数量正在减少，生存面临严峻挑战。
从科学研究的角度来看，尽管箭叶大油芒意义重大，但目前对其了解却十分有限。在公共数据库中，仅有其单个叶绿体基因组和一些分子片段的信息，关于大油芒属植物的分子系统发育关系和适应性进化的遗传机制，仍然是未解之谜。为了填补这些知识空白，为箭叶大油芒的保护和合理利用提供科学依据，云南省林业和草原科学院的研究人员开展了深入研究。
研究人员成功组装并注释了箭叶大油芒的线粒体基因组，这一成果发表在《BMC Plant Biology》上。该研究为深入了解箭叶大油芒的进化生物学和保护基因组学奠定了基础，也为其潜在的园艺驯化提供了理论支持。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们采集了箭叶大油芒的新鲜嫩叶，提取高质量基因组 DNA 后，进行 PacBio HiFi 测序。接着，利用 PMAT v1.5.3 工具对测序数据进行处理，成功组装出线粒体和叶绿体基因组，之后使用 GeSeq 工具和自定义程序 IPMGA 对线粒体基因组进行注释，并通过多种软件对注释结果进行验证和修正。此外，还运用 BLASTN、REDItools2 等工具进行同源序列、RNA 编辑位点等分析，通过 PhyloSuite、MAFFT 等软件构建系统发育树。
研究结果如下：
- 线粒体基因组组装与注释：箭叶大油芒线粒体基因组为环形，长度达 500,699 bp，GC 含量为 43.15%。共注释出 32 个蛋白质编码基因（PCGs）、3 个 rRNA 基因和 24 个 tRNA 基因，部分基因含有内含子，且存在顺式和反式剪接现象。通过与其他 14 种黍亚科植物的基因统计分析发现，部分核糖体蛋白基因在进化过程中发生丢失，如 rps14 仅在水稻粳稻组中存在，rps19 仅在少数物种中保留，而 sdh4 基因仅在箭叶大油芒和半孔颖草中被注释。
- 重复序列分析：在箭叶大油芒线粒体基因组中，鉴定出 124 个简单序列重复（SSRs），其中四聚体 SSR 最为常见。还发现了 405 个分散重复序列（≥30bp）和 56 个串联重复序列。与近缘物种相比，其 SSR 数量和类型存在显著差异，鉴定出 5 个独特的 SSR，可作为潜在的遗传标记。
- 密码子使用和 dN/dS 分析：对 32 个 PCGs 的密码子使用分析表明，线粒体 PCGs 存在明显的密码子使用偏好，倾向于使用以 A 或 U 结尾的密码子。dN/dS 分析显示，大多数 PCGs 的 dN/dS 比值小于 1，处于纯化选择之下，但 nad2 基因的 dN/dS 比值为 1.49，表现出正选择，这暗示着 nad2 基因可能在适应环境变化中发挥重要作用。
- 同源片段分析：分析发现，箭叶大油芒线粒体与叶绿体基因组存在 30 个同源区域（MTPTs），总长度为 36,440 bp；线粒体与核基因组存在 4,018 个同源区域（NUMTs），总长度达 1,815,279 bp。这表明线粒体与核基因组之间存在着频繁的基因交流。
- RNA 编辑事件：通过 lncRNA 测序，在箭叶大油芒中鉴定出 776 个 RNA 编辑位点，其中 336 个与 27 个 PCGs 相关，经过筛选确认了 283 个编辑位点，均为 C 到 U 的转换。编辑位点主要发生在密码子的第一和第二位，同义突变占 49.65%。对部分基因的验证实验发现，不同基因的 RNA 编辑情况存在差异。
- 系统发育和共线性分析：基于线粒体和叶绿体基因组的系统发育分析表明，箭叶大油芒属于黍亚科须芒草族，且在进化树中处于基部位置。与近缘物种的线粒体基因组共线性分析显示，它们之间存在基因重排现象，表明线粒体基因组在进化过程中具有一定的可塑性。
在讨论部分，研究人员指出箭叶大油芒线粒体基因组结构相对稳定，但也存在基因丢失和基因组重排现象，其基因组大小与重复序列含量无正相关关系，这挑战了传统观点。nad2 基因的正选择和 sdh4 基因的保留，可能与该物种适应干热河谷环境有关。RNA 编辑和密码子使用偏好也可能在其适应环境过程中发挥重要作用。
综上所述，该研究首次对箭叶大油芒的线粒体基因组进行了全面分析，揭示了其基因组结构、进化特征以及与环境适应的潜在联系。这些研究结果为箭叶大油芒的保护和驯化提供了重要的理论依据，也为深入理解植物线粒体基因组的进化和适应机制提供了新的视角，对作物改良和生态保护具有重要的指导意义。
