Trends in Plant Science | 植物细胞器基因组研究回顾和展望

近日，基因组所武志强研究员团队与华中农业大学金双侠教授、美国宾夕法尼亚大学Henry Daniell在国际知名植物学期刊《植物科学趋势（Trends in Plant Science）》受邀发表综述“Plant organellar genomes: much done, much more to do”，系统总结了目前植物细胞器基因组在测序丰度、突变速率、结构变异等方面所取得的研究成果并探讨了塑造细胞器进化特征的重要机制，提出了未来值得探索的重要科学问题。同时，综述探讨了目前细胞器遗传转化和编辑的作用机制、适用性、局限性以及未来挑战，对植物细胞器编辑工具改进与开发提供了独特观点。

1. 植物细胞器测序的不平衡发展

叶绿体和线粒体是植物体内唯二拥有内共生起源基因组的细胞器，也是植物光合作用和呼吸作用的核心场所。由于植物线粒体基因组难以精确组装，目前基因组测序在细胞器和类群间分布极不均衡，植物线粒体基因组中大片段重复序列和细胞内水平转移片段是造成这一困难的重要原因。因此未来有必要对进化关键和稀有类群细胞器基因组进行针对性研究，以及重点突破植物线粒体基因组特异性组装工具的开发来解决稀有构象捕捉等问题。

图1 | 2005-2023.9不同测序方法产生的植物细胞器基因组数量

1. 植物细胞器基因组分化的进化特征

综述详细比较了植物两套细胞器基因组在基因含量、突变速率、结构变异和水平转移等方面的异同，总结了影响不同特征的潜在机制。综述呼吁对细胞器基因组中未知功能ORFs以及细胞器基因组的动态群体变化与高分辨率构象捕获等问题展开研究，并强调探索细胞器基因组遗传、重组、修复的RRR机制是理解突变与结构变异的重要方面。此外，对于细胞内水平转移的标准化评估体系和鉴定方法建立是理解细胞基因组进化的重要环节。

图2 | 植物细胞器基因组的突变和结构变异

2. 细胞器基因编辑技术的发展与挑战

综述总结了叶绿体遗传转化的成果及其与合成生物学的结合研究，阐述了植物线粒体基因组群体动态的复杂变化对遗传转化的限制。此外，该文重点比较了新兴细胞器基因编辑体系如TALENs、DdCBEs、CyDENT的技术特点、作用机制和局限性，提出准确获取细胞器基因组全组织/发育阶段序列和三维结构信息、理解线粒体基因复制和翻译过程、筛选强选择标记、同质性分选、开发小分子量递送系统等细胞器基因编辑工作的未来前景。

图3 | 植物细胞器基因组编辑

3. 细胞器基因组研究面临的未来挑战

最后，综述围绕细胞器基因组在种间/种内不同组织/发育阶段的群体变异与3D构象、非编码区域中重复序列和非编码调控元件的功能探索、结构变异的调控机制以及细胞器基因编辑，提出了未来值得探索的一系列重要科学问题。

值得一提的是本篇论文列为2024年的Feature Review，Feature Review是Trends in Plant Science发表的文章类型中数量最少、篇幅最长、影响力最大的文章类型。

图4 | 植物细胞器基因组的未来工作前景

作者简介：

武志强研究员自2006起就致力于植物细胞器基因组的相关研究，利用组学大数据探索细胞器基因组的变异和突变机理，以及细胞核质互作的分子机制，并挖掘以细胞器为基础的光合作用系统转化以提高作物产量。近年来，该课题组在PNAS（2015）、Mol Biol Evol（2017）、Heredity （2019）、G3（2020）、JSE （2020，2022），BMC Plant Biol（2023）等期刊连续发文解析植物线粒体基因组变异的复杂性及多样性，对认识和研究生命起源、进化的复杂性和多样性具有重要意义。该课题组聚焦突变分子机制研究，通过实验证据创造性地证实了MSH1基因具有调控细胞器基因组重组和突变修复的双重功能（PNAS，2020），并进一步构建了MSH1拟南芥突变体的细胞器基因组变异全图谱（Plant J，2022）。此外，该课题组在细胞器基因组领域首次开发出应用图形化植物线粒体基因组来评估细胞器结构变异的策略（Brief Bioinform，2023）。课题组目前招聘博士后，欢迎感兴趣的朋友联系武志强研究员（wuzhiqiang@caas.cn）。

金双侠，华中农业大学教授，国家杰出青年基金获得者，2007年至2012年在美国宾夕法尼亚大学Henry Daniell教授实验室从事博士后研究，主攻方向是植物叶绿体（质体）基因工程和合成生物学。回国后其团队攻坚棉花生物技术和抗虫基因工程研究，创制了高体细胞胚胎发生能力的棉花基因型，开发了多套基因编辑工具，在植物生物技术领域持续发表高水平研究论文，形成了较大学术影响力，是国际上棉花生物技术开发的主要研究力量。目前担任Plant Biotechnology Journal 执行主编、Genome Biology 编辑和Crop Journal副主编。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士研究生王杰、博士后阚胜龙（现已入职山东大学）、博士研究生廖雪竹为论文的共同第一作者，中国农业科学院深圳农业基因组研究所武志强研究员、华中农业大学金双侠教授和宾夕法尼亚大学Henry Daniell教授为共同通讯作者。此外，基因组所与华中农大联合培养博士研究生周家伟和美国科罗拉多州立大学Luke Tembrock博士也参与了此项工作。该工作得到了国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、深圳市科创委、农科院青年英才、广东省珠江人才和农科院创新项目的支持。

原文链接：https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(23)00412-0