线粒体-核基因组错配对秀丽隐杆线虫适应度及mtDNA拷贝数演化的影响：交配系统与适应性的作用

本研究探讨了线粒体-核基因组(mitonuclear)错配下，交配系统如何影响秀丽隐杆线虫(C. elegans)的适应度恢复和线粒体DNA(mtDNA)拷贝数演化。通过实验进化60代，研究人员发现核编码ETC突变体比线粒体编码突变体获得更大适应度提升，且mtDNA拷贝数与适应度的关系受突变背景和交配系统交互作用调控，为理解真核生物能量代谢的基因组协同进化提供了新视角。

　　

在真核生物中，线粒体与核基因组的协同进化是维持能量代谢的核心机制。然而，当这两个基因组因突变出现功能错配时，生物体如何通过适应性演化恢复平衡？这一过程是否受交配系统影响？线粒体DNA(mtDNA)拷贝数变化能否作为补偿机制？这些问题的解答对理解物种适应性和进化潜力至关重要。

来自Portland State University等机构的研究人员以秀丽隐杆线虫(C. elegans)为模型，通过构建包含线粒体(co_x-1、ct_b-1)和核编码(gas-1、isp-1)电子传递链(ETC)突变的品系，在三种交配系统(兼性异交、强制自交、强制异交)下进行60代实验进化。研究发现发表在《Heredity》的成果表明，核编码ETC突变体表现出更强的适应度恢复能力，而mtDNA拷贝数变化与适应度的关系呈现突变背景特异性，揭示了基因组互作在适应性进化中的复杂调控网络。

研究采用数字PCR(dPCR)定量L1幼虫期mtDNA拷贝数，通过标准化繁殖力测定评估相对适应度，并利用CRISPR构建的xol-1(强制自交)和fog-2(强制异交)遗传背景比较交配系统效应。对128个进化品系的分析揭示了以下关键发现：

Ancestral G0 strain fitness
线粒体编码ETC突变体(co_x-1、ct_b-1)的初始适应度显著高于核编码突变体(gas-1、isp-1)，其中isp-1单突变体适应度最低。双突变体isp-1 IV; ct_b-1 M的适应度介于两个单突变体之间，证实了CTB-1对ISP-1突变的表型补偿效应。

G60 recovery line fitness
核编码突变体(gas-1、isp-1)在进化后获得更大适应度提升，特别是fog-2; isp-1品系中四个 replicates出现20倍以上的适应度跃升。这一结果支持"适应性衰退法则"——初始适应度越低的群体具有更大进化潜力。

Mitonuclear double mutant fitness

MtDNA copy number
L1期线虫平均携带33.9个mtDNA拷贝/单倍体核基因组。xol-1背景的进化品系普遍呈现mtDNA拷贝数升高，其中xol-1; isp-1品系达到225拷贝的极端值。但仅在线粒体co_x-1突变背景下，拷贝数与适应度呈显著负相关(R²=0.5454)，提示不同ETC复合物的功能缺陷可能触发差异性的补偿机制。

这项研究首次系统揭示了交配系统与基因组定位对mitonuclear错配修复的双重影响。核编码突变体更强的适应度恢复能力，可能反映了核基因组在协调跨基因组互作中的主导地位。而mtDNA拷贝数变化的背景依赖性则表明，真核细胞可能通过多层级调控网络应对能量代谢危机——包括但不限于基因组剂量调整、异质性管理和表达重编程。这些发现为理解杂交不育、线粒体疾病等演化医学问题提供了新思路，也为农业和医学领域的基因组匹配策略提供了理论依据。