黄精属药用植物滇黄精线粒体基因组特征解析：重复序列介导的重组与进化选择研究

为解决药用植物滇黄精(Polygonatum kingianum)线粒体基因组(mtDNA)结构未知、基因丢失机制及进化选择压力等问题，成都中医药大学联合大理大学团队通过Nanopore ONT与Illumina测序技术，首次完成其647,110 bp线粒体基因组组装，揭示多分支构象及35个PCGs、22个tRNAs和4个rRNAs的基因组成。研究发现重复序列介导的重组事件、24个保守基因的纯化选择(Ka/Ks<1)及31个叶绿体-线粒体同源片段，为黄精属物种鉴定和分子育种提供重要依据。

　　

在传统中医药领域，滇黄精(Polygonatum kingianum)因其抗糖尿病、降血脂和抗肿瘤等活性被广泛使用，但长期以来其线粒体基因组(mtDNA)的复杂结构和进化特征始终是未解之谜。植物线粒体基因组以结构动态著称，常呈现多分支、线性或环状构象，且频繁发生基因水平转移和重复序列介导的重组。这些特性使得其组装和注释充满挑战，也阻碍了对黄精属物种的精准鉴定和遗传资源开发。

成都中医药大学联合大理大学的研究团队通过整合Nanopore长读长和Illumina短读长测序数据，首次成功解析了滇黄精线粒体基因组。研究采用minimap2和Bandage进行序列组装与可视化，利用MFANNOT和MITOFY完成基因注释，并通过Phylosuit、MAFFT等工具进行多物种比较基因组学分析。

研究结果

1. 基因组结构与基因组成
   滇黄精mtDNA呈现典型的多分支构象，线性化后长度为647,110 bp，GC含量46.2%。共注释到35个蛋白编码基因(PCGs)、22个tRNA和4个rRNA基因，但丢失了6个核糖体蛋白基因(rpl2/rpl6等)和1个琥珀酸脱氢酶基因(sdh3)。

2. 进化选择与保守性
   比较10种天门冬目物种发现24个共享PCGs，其Ka/Ks值均<1，表明这些基因在进化中经历纯化选择。单倍型网络分析显示nad4基因编辑位点最多(52个)，而ccmFn基因存在42个C-to-U RNA编辑位点。

3. 重复序列与结构变异
   鉴定出199个SSR、31个串联重复和310对分散重复序列，其中四核苷酸重复占比最高(32.16%)。与已发表的PKV-SNX60基因组相比，本研究新增10个以上SSR和13对分散重复，为物种特异性标记开发奠定基础。

4. 细胞器间基因迁移
   发现31个叶绿体-线粒体同源片段(总计9,853 bp)，包含trnA-UGC等7个tRNA和rrn16基因，揭示多次独立的基因转移事件。

5. 系统发育定位
   基于35个线粒体PCGs构建的进化树显示，滇黄精与龙血树属(Dracaena)亲缘最近，而兰科植物单独聚为一支，支持天门冬目内复杂的演化关系。

结论与意义
该研究首次揭示滇黄精线粒体基因组的动态进化特征：重复序列介导的重组塑造了其多分支结构，叶绿体来源的片段迁移贡献了1.52%的基因组内容，而密码子偏好性主要受自然选择驱动(RSCU>1的29个密码子均以A/U结尾)。研究成果不仅为黄精属物种鉴定提供SNP/InDel标记(如nad4-intron1区域的224个变异位点)，更填补了药用植物线粒体基因组研究的空白，对理解百合科植物的适应性进化具有重要理论价值。论文发表于《Scientific Reports》，数据已公开(NCBI登录号PQ365714)。