研究揭示高粱驯化历史与细胞器基因组结构差异的关系

近日，基因组研究所武志强课题组在《BMC系列的植物生物学（BMC Plant Biology）》上发表了题为”Variation in mitogenome structural conformation in wild and cultivated lineages of sorghum corresponds with domestication history and plastome evolution”的文章，研究组装了六个栽培种和一个野生高粱线粒体基因组，研究发现高粱线粒体基因组的构象差异与高粱驯化历史之间的联系，从高粱线粒体基因组到细胞核内存在广泛的序列转移，并且不同物种间存在巨大差异。该研究加深了对高粱驯化历史和细胞器基因组进化的了解，为高粱育种改良提供了理论基础。

高粱(Sorghum bicolor)是全球第五大谷物作物，解析高粱基因组数据对高粱育种改良至关重要，然而由于复杂的结构变化和长段的重复性DNA，高粱的细胞器基因组组装十分困难，目前仅报道了一个高粱属栽培种的线粒体基因组。

研究人员利用已发布的高粱三代CLR和二代Illumina全基因测序数据，组装得到了六个高粱栽培种(Sorghum bicolor)种质和一个近缘物种(Sorghum propinquum)的线粒体和叶绿体基因组。根据线粒体基因组构象，这七种高粱材料可分为三种类型（如图1 abc），通过比较基因组学方法，研究发现线粒体基因组结构类型与栽培高粱在东非和西非的两次独立驯化事件相关。

图1 | 高粱线粒体基因组构象

植物细胞内序列从细胞器基因组到核基因组的转移频繁且连续发生，是理解细胞内基因组间协同进化的关键。该研究对细胞核内线粒体DNA序列(NUMTs)和细胞核内叶绿体DNA序列在染色体各区域的分析进行研究（图2 ab），发现在不同材料间这些转移序列在染色体各区域有不同的富集模式。尽管大量研究表明细胞器转移的序列在核内染色体上是无活性或无功能的，但存在例外，其中一些有功能的转移序列对细胞代谢和基因组进化有影响。

图2 | NUMTs和NUPTs在染色体上的分布

该研究为高粱属提供了高质量的细胞器基因组和线粒体基因组组装新策略，为了解细胞器转移序列在细胞核内的进化以及栽培高粱驯化历史提供了理论依据和新思路。

基因组所武志强研究员和科罗拉多州立大学Luke Tembrock论文的通讯作者。硕士生张硕为论文的第一作者，同时感谢基因组所陶永富研究员，博士后贺文闯和阚胜龙对本研究的指导。基因组所博士生王杰和廖雪竹也参与了该研究。

该研究得到深圳市优秀科技创新人才培养-优秀青年基础研究，国家自然科学基金，中国农业科学院“青年英才计划”等项目支持。