栎属植物线粒体基因组比较分析揭示Fagaceae家族进化新机制：以Quercus gilva为重点研究对象

本研究针对栎属(Quercus)线粒体基因组(mtDNA)研究匮乏的现状，通过Illumina和Nanopore混合测序技术首次完成濒危树种Quercus gilva（隶属Cyclobalanopsis组）的mtDNA组装（总长490,015 bp，含4个分子结构）。研究揭示了Fagaceae家族11个物种mtDNA存在显著结构变异（基因丢失/重排）但进化速率较低（Ka/Ks<1），发现内共生基因转移(EGT)事件在细胞器与核基因组间频繁发生，并通过12个保守蛋白编码基因(PCGs)构建了支持Fabids分类的分子系统树。该成果为栎属资源保护与系统发育研究提供了重要基因组资源，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

在植物进化生物学领域，线粒体基因组(mtDNA)因其独特的遗传特性被称为"基因组界的叛逆者"——尽管编码呼吸作用核心基因，却表现出惊人的结构多样性（从66 kb到12 Mb不等）和极低突变率的矛盾特征。作为北半球最重要的木本植物类群之一，栎属(Quercus)虽已有16个核基因组和120个质体基因组(cpDNA)的研究积累，但截至2024年11月，仅有5个线粒体基因组（分属Cerris和Quercus两个组）被测序。这种研究失衡严重限制了人们对栎属物种适应性进化机制的理解，特别是对于东亚特有濒危树种Quercus gilva（隶属Cyclobalanopsis组）这类具有重要生态和经济价值的类群。

为填补这一空白，Yu Li等研究人员在《BMC Plant Biology》发表了突破性研究。团队采用Illumina短读长与Nanopore长读长混合测序策略，结合GSAT v1.10软件的图形化组装方法，成功解析了Q. gilva的mtDNA复杂结构。该基因组呈现典型的多分支构型——由3个环状分子和1个线性分子组成（总长490,015 bp），包含37个蛋白编码基因(PCGs)、19个转运RNA(tRNAs)和3个核糖体RNA(rRNAs)。研究发现重复序列（尤其是30-60 bp的分散重复）广泛分布于基因间隔区(IGS)，这些"基因组剪刀手"可能是导致mtDNA重排的关键因素。

研究的关键技术包括：（1）GSAT软件的图形化组装流程（通过OG→MRG→MRMG→MMG四步获得主图）；（2）GeSeq和ORF Finder的联合注释；（3）REPuter和TRF的重复序列分析；（4）Deepred-Mt预测RNA编辑位点；（5）MAFFT多序列比对与IQ-tree系统发育重建。样本来自中国福建（29.94°N,116.87°E）的野生个体，凭证标本保存于上海辰山植物园标本馆(CSH)。

结构特征分析

线粒体基因组呈现四分子结构，其中atp9、trnM-CAU和trnP-UGG为多拷贝基因。预测到491个C→U RNA编辑位点（93.9%导致非同义突变），最显著的是nad4基因（编辑位点数量最多）和ccmB基因（编辑频率最高）。密码子偏好性分析显示强烈偏向A/U结尾密码子（如His的CAU密码子RSCU=1.51）。

内共生基因转移事件

发现11个质体-线粒体转移片段(MTPTs)（总长6,512 bp，含6个完整tRNA基因）和1824个核-线粒体转移片段(NUMTs)，其中染色体5存在近乎完整的mtDNA插入。这些发现印证了植物细胞器间基因流动的复杂性。

Fagaceae比较基因组学

11个物种的mtDNA大小差异显著（349,290-592,702 bp），但GC含量稳定（45.5-46.1%）。共线性分析显示近缘物种（如Q. petraea与Q. robur）保留更大保守区块。Pi值和Ka/Ks分析表明：虽然rpl22（质体）和atp9（线粒体）等基因呈现较高多样性，但整体上线粒体进化速率显著低于质体。

系统发育重建

基于12个保守PCGs（atp4、atp8、nad2等）构建的40个Fabids物种系统树强烈支持APG IV分类系统。值得注意的是，Q. gilva在栎属分支基部首先分化，这与核基因组(RAD-seq)结果存在差异，可能反映杂交事件对进化历史重建的干扰。

这项研究首次揭示了Cyclobalanopsis组的线粒体基因组特征，为理解Fagaceae的进化动力学提供了新视角。特别是发现atp9基因可能受到正向选择（Ka/Ks>1），暗示其在能量代谢适应中的特殊作用。该成果不仅为濒危树种Q. gilva的保护遗传学研究奠定基础，更通过多组学比较阐明了植物细胞器基因组"结构多变但序列保守"的进化悖论。未来需要更多栎属代表物种的mtDNA数据，以解析杂交和自然选择对基因组架构的影响。