BMC Biology | 基因组所武志强团队揭示棉属植物线粒体基因组与基因转移动态演化

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)武志强课题组在国际权威期刊《BMC Biology》发表了题为 “Evolutionary dynamics of mitochondrial genomes and intracellular transfers among diploid and allopolyploid cotton species”的研究论文。研究团队基于图的线粒体组装揭示了棉属植物线粒体基因组的结构复杂性和进化动态，同时解析了细胞内基因转移（IGTs）的规律，为棉花种质创新和细胞器基因组进化研究提供了全新视角。

与动植物核基因组的共同进化模式不同，真核生物中植物线粒体基因组同动物线粒体基因组和叶绿体基因组在基因组结构复杂性和进化速率上走向两个极端。植物线粒体基因组中复杂多样的结构进化，以及重复序列介导的重排、插入、缺失和复制扩增等复杂变异。除了细胞器内固有的结构改变外，植物线粒体基因组的复杂结构也受到细胞内基因转移的驱动。这种结构动力学对线粒体基因组的组装和点突变率计算带来了挑战，阻碍了我们对植物细胞器基因组结构变异和序列进化的理解。

线粒体基因组结构变异和替代构象解析

研究团队在这项研究中，基于统一的组装策略，组装了19个棉花的线粒体基因组，代表了棉花所有基因组群（二倍体A到G， K和异源多倍体AD），首次系统捕捉到多种替代构象。这些替代构象由重复序列介导的重组事件驱动，展现了棉属植物线粒体基因组的结构动态。研究还发现，多倍体棉花与二倍体棉花的线粒体基因组在结构变异上的系统发育差异，为解析棉属植物的进化历史提供了重要证据。

图1 | 19 个棉花线粒体基因组结构变异

棉花线粒体基因组和叶绿体基因组核苷酸替换率的比较

研究团队通过对细胞器基因组编码区和非编码区核苷酸替代率的分析发现，整个线粒体基因组突变率极低，仅为叶绿体基因组的1/3至1/5。这种显著差异表明，棉属植物线粒体基因组在进化中保持了高度稳定性，为植物线粒体基因组的进化机制提供了新线索。

图2 | 棉花细胞器基因组中编码区和非编码区之间的核苷酸替换率

棉花核基因组中细胞器 DNA 的整合和分布模式

研究团队绘制了棉属植物细胞器DNA转移（NUOTs）的全基因组图谱，揭示了细胞器片段在核基因中的非随机分布，线粒体到核基因组的转移片段（NUMTs）以较短片段形式存在，而叶绿体到核基因组的转移片段（NUPTs）则更容易被整合到核基因组中。这一发现表明，细胞器DNA转移受到不同进化过程的调控，其命运各不相同。

图3 | 棉属中 NUPT 和 NUMT 的转移特征

中国农业科学院深圳农业基因组研究所武志强研究员，美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授，中国农业科学院棉花研究所马雄风研究员，山东大学海洋学院阚胜龙博士为共同通讯作者。中国农业科学院深圳农业基因组所与河南大学联培硕士研究生孔佳莉为第一作者，中国农业科学院深圳农业基因组所与莫道克大学联培博士生王杰, 中国农业科学院深圳农业基因组所与莫道克大学联培博士生聂丽云为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技创新委员会、中国农业科学院青年人才计划以及广东省珠江人才计划基金的支持。

原文链接: https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-025-02115-z