Prototheca属线粒体全基因组解析：比较基因组学揭示非光合微藻的进化特征与致病机制

本研究通过Illumina和Oxford Nanopore技术对18种Prototheca（无色素绿藻）的线粒体基因组进行测序，揭示其38-68 kbp的基因组大小变异、25-30%的GC含量特征及保守基因簇（如nad基因）排列规律，发现I型内含子编码归巢内切酶介导的基因组可塑性机制。基于21个核心基因构建的系统发育树支持当前基于cytb基因的分类体系，证实该属多系起源，为阐明病原性藻类的进化路径和临床防控提供基因组学基础。

　　

在绿色植物界(Viridiplantae)中，Prototheca属微藻显得尤为特殊——这些失去光合能力的单细胞生物，竟能引发人畜共患的原藻病(protothecosis)。人类感染多见于免疫缺陷患者，可导致致死性全身感染；动物则以牛乳腺炎最为常见，造成畜牧业重大经济损失。尽管目前仅6个物种(P. bovis、P. blaschkeae等)被确认致病，但其发病率持续上升且治疗手段有限。更棘手的是，这个仅含18个物种的小属，其遗传图谱长期处于"迷雾"状态。传统分类依赖细胞色素b(cytb)基因，但全基因组层面的进化关系仍存争议，特别是线粒体基因组的结构特征与致病性的关联机制尚未阐明。

为破解这些谜题，Daniel Wibberg团队在《BMC Genomics》发表了突破性研究。研究人员采用Illumina短读长与Oxford Nanopore/PacBio长读长混合测序策略，对全部18个Prototheca物种的模式菌株（包括从德国奶牛乳腺炎分离的P. bovis SAG 2021到日本皮炎患者分离的P. miyajii IFM 53848等）进行线粒体基因组测序，通过Contig长度-读长计数分析鉴定环状mtDNA，利用MFannot进行基因预测并手动校正。比较基因组分析采用EDGAR 3.2平台计算平均核苷酸一致性(ANI)和平均氨基酸一致性(AAI)，系统发育树基于21个核心基因串联序列通过IQ-TREE 2.0构建。

基因组特征分析揭示三个关键发现：

1. 1.

   基因组大小与结构变异：Prototheca线粒体呈现显著尺寸多态性（38-68 kbp），其中P. miyajii以68 kbp成为"巨无霸"。这种差异主要源于非保守假设开放阅读框(ORFs)和内含子的数量变化。GC含量稳定在25-30%，低于衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的57%，反映绿藻中线粒体GC含量的进化分歧。

2. 2.

   基因排列的进化印记：所有物种保留21个核心基因（如cox1、cytb等呼吸链基因），但pan-genome分析显示总数达78个基因，展现惊人可塑性。NADH脱氢酶(nad)基因呈现特征性成簇排列（如nad2-nad3串联），这种模式在真菌线粒体中亦有发现，暗示保守的基因组组织原则。值得注意的是，12个物种的cox1基因携带I型内含子，其开放阅读框编码归巢内切酶，通过"剪切-修复"机制驱动内含子水平转移，这可能是基因组大小变异的重要推手。

3. 3.

   系统发育重构：基于21个核心基因的串联分析将Prototheca划分为三大分支（A-C支），其中C支物种（如P. ciferrii）具有<40 kbp的小基因组且缺乏cox1内含子，与A/B支形成鲜明对比。引人注目的是，ANI/AAI分析显示P. bovis与P. zopfii的AAI达97.8%，P. pringsheimii与P. ciferrii更达98.5%，远高于常规物种界限（通常<95%），暗示当前分类可能需要调整。cytb单基因树虽重现B/C支结构，但未能识别含Auxenochlorella protothecoides的A支，凸显多基因联合分析的优势。

这项研究首次绘制了Prototheca属完整的线粒体基因组图谱，其意义远超分类学范畴：I型内含子介导的基因组可塑性机制为理解非光合藻类的适应性进化提供新视角；nad基因簇的保守性提示其可能作为抗原藻药物的新靶点；而ANI/AAI与传统分类的偏差，则呼吁建立更精确的病原藻株鉴定标准。正如作者强调，下一步核基因组解析将揭示线粒体与核基因组的协同进化如何塑造这些"绿色叛徒"的致病潜能——它们放弃了光合作用的"正道"，却在病原进化的歧路上"另辟蹊径"。