刺五加(Eleutherococcus senticosus)线粒体基因组从头组装与进化分析揭示其药用植物独特适应性

本研究通过Illumina短读长与Nanopore长读长混合测序策略，首次完成药用植物刺五加(Eleutherococcus senticosus)线粒体基因组(mitogenome)的组装与注释，揭示其548,869 bp环状结构含78个功能基因，发现重复序列介导的同源重组及587个C-to-U RNA编辑位点。研究解析了线粒体-质体DNA转移事件(MTPTs)，并通过系统发育分析明确了刺五加在五加科的进化地位，为药用植物分子育种与保护提供关键基因组资源。

　　

在传统中医药宝库中，刺五加(Eleutherococcus senticosus)因其富含三萜皂苷、刺五加苷等活性成分被誉为"西伯利亚人参"，但其基因组研究长期滞后。尤其令人困惑的是，作为能量工厂的线粒体(mitochondria)虽在近缘人参属(Panax)物种中已有探索，刺五加的线粒体基因组(mitogenome)却仍是未解之谜。这种认知空白严重限制了对其药用性状形成机制和进化适应性的理解。

江苏大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究打破了这一僵局。他们采用混合测序技术，结合生物信息学分析和实验验证，首次绘制出刺五加完整的线粒体基因组图谱，并揭示其动态进化特征。研究通过Illumina短读长与Nanopore长读长数据互补，完成基因组组装；利用PMGA和GESeq进行基因注释；通过TRF和REPuter分析重复序列；采用PREPACT3预测RNA编辑位点；结合PCR验证重组事件；最后通过MAFFT和IQ-TREE2构建系统发育树。

线粒体基因组特征
研究获得548,869 bp的环状线粒体基因组，包含38个核心蛋白编码基因(PCGs)、24个tRNA和3个rRNA基因。值得注意的是，nad4基因存在42个RNA编辑位点，数量居首。密码子偏好性分析显示GCU(丙氨酸)等密码子使用频率显著偏高(RSCU>1.5)。

重复序列驱动基因组重组
鉴定出124个简单重复序列(SSRs)和396个分散重复序列，其中3对重复序列(r28/r160/r166)通过PCR证实介导同源重组，产生多种构象变异。这种"基因组可塑性"可能是刺五加环境适应的关键机制。

跨细胞器基因交流
在叶绿体基因组(cpgenome)156,802 bp组装基础上，发现27个线粒体-质体转移片段(MTPTs)，总长9,293 bp，包含完整tRNA基因但多为断裂的蛋白编码基因，揭示器官基因组间动态互动。

进化与合成分析
基于26个物种线粒体PCGs的系统发育树显示，刺五加与Panax属形成单系群，但基因组共线性分析表明其与Panax ginseng存在显著结构重排，暗示五加科物种分化过程中的基因组重塑。

这项研究不仅填补了刺五加基因组资源的空白，更揭示了重复序列驱动的结构变异和RNA编辑调控网络对其药用性状形成的潜在影响。发现的587个RNA编辑位点中，约83%导致氨基酸改变(如疏水→亲水)，可能影响线粒体电子传递链(ETC)复合体功能。研究为解析刺五加活性成分合成的能量代谢基础、开发分子标记辅助育种技术提供了理论依据，同时建立的混合组装策略为复杂植物基因组研究提供了范本。特别值得注意的是，刺五加线粒体基因组大小是拟南芥(Arabidopsis thaliana)的40倍，这种极端扩张现象为研究植物基因组进化提供了独特案例。