松科欧洲赤松线粒体基因组的首次完整测序与分析

《BMC Plant Biology》：The first complete assembly and analysis of mitochondrial genome of Pinus thunbergii in Pinaceae

　　

摘要

背景

朝鲜黑松（Pinus thunbergii）是原产于东亚地区的沿海针叶树，包括韩国、中国和日本。植物中的线粒体和叶绿体属于半自主细胞器，它们能编码少量蛋白质，并通过逆向信号调节核基因组的表达，从而协调应激反应和光合作用。尽管此前已经对P. thunbergii的叶绿体基因组进行了研究，但其完整的线粒体基因组尚未被报道，这限制了人们对松属进化动态的了解。

结果

我们采用了混合测序方法来构建线粒体基因组，该方法结合了Nanopore长读段和Illumina短读段。该线粒体基因组由两条不同的染色体组成——一条环状染色体（约2.24 Mb）和一条线性染色体（约0.31 Mb），总长度为2,553,981 bp，GC含量为46.86%，这一数值是P. taeda线粒体基因组（1.2 Mb）的两倍。这些基因组包含41个蛋白质编码基因、17个tRNA基因以及3个rRNA基因。根据这些蛋白质编码基因，我们预测出了861个潜在的C到U的RNA编辑位点。相对同义密码子使用频率分析显示，有30个密码子的数值超过1；其中86.6%的密码子以A或T结尾，UUG（亮氨酸）、UCC（丝氨酸）、ACC（苏氨酸）和UAG（终止密码子）除外。仅有atp1基因受到纯化选择的作用（Ka/Ks＜1）。比较基因组学分析表明，有15个片段从P. thunbergii的叶绿体转移到了1号染色体上，另有2个片段转移到了2号染色体上（该叶绿体的登录号为MW599991.31）。此外，共线性分析显示，有217个片段与P. taeda的线粒体基因组相似，占P. thunbergii线粒体基因组的23.92%。利用15个蛋白质编码基因进行的系统发育分析确认了该物种在松科中的分类位置。值得注意的是，rps3基因的分布与基于30个蛋白质编码基因构建的系统发育树相似。

结论

在本研究中，我们首次完成了P. thunbergii的完整线粒体基因组序列的测定，分析了其线粒体基因组的特征，证实了来自叶绿体基因组的水平基因转移现象，并发现了其与P. taeda之间的高度相似性和密切的系统发育关系。这项研究丰富了现有的细胞器基因组资源，为松属的进化研究奠定了基础。此外，多染色体结构的发现也为研究裸子植物的基因组重排及复杂的进化动态提供了新的方向。