黄精线粒体基因组解析揭示变异多样性与进化趋势

本研究针对药用植物黄精(Polygonatum cyrtonema Hua)线粒体基因组缺失的问题，通过结合Illumina和Nanopore测序技术完成其664,991 bp非环形线粒体基因组的组装与注释，鉴定出33个PCGs、20个tRNAs和3个rRNAs。研究发现194个SSRs、24个串联重复和294个分散重复序列，预测599个C-to-T型RNA编辑位点，揭示其缓慢进化特征。系统发育分析证实黄精与黄精属植物Polygonatum sibiricum亲缘最近，为黄精属分类和药用开发提供重要分子基础。

　　

在传统中医药领域，黄精(Polygonatum cyrtonema Hua)作为药食两用植物，因其富含多糖、黄酮和甾体皂苷等活性成分备受关注。然而随着市场需求激增，野生资源日益枯竭，人工栽培面临种质鉴定困难等问题。更关键的是，黄精线粒体基因组的缺失严重阻碍了其进化分析和育种研究。这项发表在《BMC Plant Biology》的研究，首次解析了黄精复杂非环形线粒体基因组的结构特征，为黄精属植物的分类和药用开发提供了全新视角。

研究采用Illumina短读长和Nanopore长读长测序技术相结合的策略，通过Canu软件组装和Unicycler拼接，结合Blast和tRNAscan-SE等工具完成基因组注释。样本来自中国安徽省池州市青阳县九华山的栽培植株。

线粒体基因组特征

研究揭示黄精线粒体基因组由21个contigs组成，总长664,991 bp，GC含量46.30%。注释到56个功能基因，包括33个PCGs（分属ATP合成酶等9类功能群），其中nad4基因含最多内含子（3个）。特别的是，cob基因无内含子且分散在contig9和contig20上。

重复序列分析

鉴定出194个SSRs（35.6%为四核苷酸）、24个串联重复（最长43 bp）和294个分散重复（64 bp平均长度）。contig1含有最多重复序列，其中四拷贝的trnM-CAT可能与基因组结构复杂性相关。

RNA编辑特征

预测到599个C-to-T型编辑位点，63%发生在密码子第二位。编辑导致41%氨基酸变为疏水性亮氨酸，显著增强蛋白稳定性。nad4基因编辑位点最多（53个），暗示其在环境适应中的关键作用。

跨基因组转移

发现29个叶绿体来源片段（共15,849 bp），占线粒体基因组2.4%，包含trnN-GTT等3个tRNA基因片段，以及rrn16/rrn23与线粒体rrn18/rrn26的同源区域。

进化分析

密码子偏好性显示TTT（苯丙氨酸）使用频率最高，RSCU值揭示A/T结尾密码子优势。系统发育树基于33个物种PCGs构建，证实黄精与P. sibiricum最近缘，支持线粒体基因组在黄精属分类中的有效性。Ka/Ks分析显示除rpl2外所有PCGs的比值<1，表明纯化选择下的保守进化。

该研究不仅填补了黄精线粒体基因组的空白，更通过重复序列、RNA编辑和跨基因组转移等特征，揭示了黄精属植物的进化动力。特别值得注意的是，与叶绿体基因组的同源片段转移现象，为研究植物细胞器间DNA交流提供了新案例。研究成果将为黄精种质鉴定、分子育种和药用成分合成通路研究奠定基础，对推动中药现代化具有重要意义。