《Plant Diversity》：Exploring the evolutionary landscape of mitochondrial genomes in the sunflower family (Asteraceae)
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本研究针对菊科植物线粒体基因组研究匮乏的现状，通过对12亚科22族的38个完整线粒体基因组进行系统分析，揭示了其显著的尺寸变异（194-427 kb）、广泛的结构重排和独特的进化特征。研究发现基部类群具有较大线粒体基因组，而菊亚科则经历了明显的基因组收缩事件。通过构建包含53个保守DNA区块的系统发育树，研究人员解析了菊科深层系统发育关系，发现了与叶绿体、核基因组不一致的进化信号。该研究为理解菊科植物线粒体基因组进化动力学提供了重要资源。
作为被子植物中最大的家族，菊科包含超过26,000个物种，涵盖向日葵、生菜、蒲公英等重要经济作物和药用植物。尽管菊科植物的叶绿体基因组和核基因组研究已取得显著进展，但其线粒体基因组的研究却相对滞后。目前仅有约40个完整的菊科线粒体基因组被报道，且多数集中在菊亚科，早期分支类群的代表性严重不足。这种研究空白限制了我们对该家族基因组进化的全面理解，特别是当叶绿体和核基因组系统发育出现不一致时，线粒体基因组数据能为解析菊科进化历史提供新的视角。
为了填补这一空白，四川师范大学的研究团队开展了菊科线粒体基因组的系统性研究。他们在《Plant Diversity》上发表了题为"Exploring the evolutionary landscape of mitochondrial genomes in the sunflower family (Asteraceae)"的研究论文，新组装了38个代表12个亚科和22个族的完整线粒体基因组，其中包括9个亚科和3个族的首个线粒体基因组报道。结合已发表的9个基因组，研究人员构建了包含47个物种的综合性数据集，这是目前菊科最全面的线粒体基因组资源。
研究人员采用创新的分析方法，包括短读长和长读长测序数据的混合组装策略，使用SPAdes和Flye进行基因组组装，通过BLAST比对和Geneious软件进行注释。他们开发了片段分析方法，将线粒体基因组分割成200bp的片段，通过CD-HIT-EST去冗余后，分析这些片段在物种间的分布模式。系统发育分析基于三个不同的数据集：36个编码序列、38个基因（包含内含子）和53个保守DNA区块，使用IQ-TREE构建最大似然树。此外，还利用AlphaFold3预测蛋白质结构，通过Deepred-Mt预测RNA编辑位点。
研究结果揭示了菊科线粒体基因组的显著特征。基因组大小分析显示，菊科线粒体基因组存在明显的尺寸变异（194-427kb），基部类群具有较大的基因组，而菊亚科物种的基因组特别紧凑，有些仅约200kb，成为光合作用被子植物中最小的线粒体基因组之一。结构分析表明，不同亚科和族之间存在广泛的重排现象，亲缘关系越远的物种间，同源序列越少，重组事件越多。
基因内容分析发现，虽然24个核心线粒体基因在所有物种中都是保守的，但研究人员发现了有趣的变异现象。在Synotis nagensium中，atp1基因的3'端被未知序列替代，AlphaFold3预测显示这种改变影响了C端蛋白结构。更引人注目的是，在Arctium lappa中发现了来自苋科的cox1基因水平转移事件，以及在Carthamus tinctorius中发现的与春黄菊族物种共享的ccmFn基因缺失，表明即使在近缘植物种间也存在线粒体DNA交换。
RNA编辑分析揭示了菊科特异的编辑位点丢失模式。大多数菊科物种保持约500个RNA编辑位点，但atp6基因在整个科中几乎完全丢失编辑能力，nad4基因的编辑位点也显著减少。特别值得注意的是，Erigeron annuus仅保留不到300个编辑位点，远少于其他菊科物种。
系统发育分析基于53个保守DNA区块的数据集获得了最高分辨率。线粒体系统发育与叶绿体、核基因组系统发育在大部分关系上一致，但也发现了几个重要的不一致之处。例如，线粒体和叶绿体数据均支持菊苣族和斑鸠菊族的姐妹关系，而核基因组数据则显示斑鸠菊族比菊苣族更早分化。这些不一致可能反映了菊科进化历史上复杂的杂交事件。
通过创新的片段分析方法，研究人员发现菊科线粒体基因组的大小变异主要源于祖先序列的差异保留。约35%的序列是菊科祖先遗传的，在不同物种中经历了多次独立丢失。菊亚科中基因组较小的物种在这些祖先序列上表现出明显减少，而具有较长基因组的其他亚科则保留了更完整的DNA片段集合。
这项研究首次在科级尺度上系统揭示了菊科线粒体基因组的进化景观，为理解植物线粒体基因组进化提供了重要见解。研究表明，菊科线粒体基因组具有尺寸小、MTPT少、结构动态等独特特征，其系统发育关系在大部分节点上与叶绿体和核基因组一致，但某些冲突提示了复杂的进化历史。建立的综合性基因组资源和开发的分析方法将为菊科植物的系统学、进化和功能基因组学研究奠定坚实基础，对作物改良和物种保护也具有重要应用价值。
