中大新聞網(wǎng)訊（通訊員周仁超、于潤(rùn)賢）寄生植物通過(guò)吸器從寄主植物獲得生存所需的營(yíng)養(yǎng)，是一種獨(dú)特的生活習(xí)性，該習(xí)性在被子植物中獨(dú)立起源了十二次，產(chǎn)生了4500多種寄生植物。寄生植物通常表現(xiàn)出營(yíng)養(yǎng)器官退化、葉綠素部分或全部丟失、基因組特化等特征。研究寄生植物的基因組特征有助于我們理解其寄生習(xí)性的進(jìn)化機(jī)制。植物細(xì)胞內(nèi)有三大基因組，即核基因組、質(zhì)體基因組和線(xiàn)粒體基因組。目前寄生植物的基因組研究主要聚焦于質(zhì)體基因組和核基因組，其質(zhì)體基因組具有A+T堿基含量升高、基因組縮小、大量光合作用相關(guān)基因丟失和假基因化等特征。寄生植物的核基因組則往往表現(xiàn)為基因組變大與基因大量丟失等特征。相比之下，寄生植物的線(xiàn)粒體基因組則少有研究，并且不同的寄生植物的線(xiàn)粒體基因組特征差異甚大。這些特異的變化包括但不限于基因組和基因數(shù)量極度縮小，極高的DNA替換速率和大量的水平基因轉(zhuǎn)移，體現(xiàn)了寄生植物線(xiàn)粒體基因組對(duì)寄生習(xí)性的適應(yīng)模式與機(jī)制的多樣性。
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院周仁超副教授課題組長(zhǎng)期以來(lái)研究寄生植物的細(xì)胞器基因組進(jìn)化。近期，該課題組與美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)的Jeffery P. Mower以及阿根廷庫(kù)約國(guó)立大學(xué)的M. Virginia Sanchez-Puerta合作，成功解析了蛇菰科全寄生植物盾片蛇菰（Rhopalocnemis phalloides）的線(xiàn)粒體基因組，揭示了其非常特殊的基因組結(jié)構(gòu)、復(fù)制機(jī)制與轉(zhuǎn)錄模式，拓寬了對(duì)植物線(xiàn)粒體基因組進(jìn)化的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究成果以The minicircular and extremely heteroplasmic mitogenome of the holoparasitic plant Rhopalocnemis phalloides為題發(fā)表于Current Biology雜志。
本研究發(fā)現(xiàn)，與大多數(shù)植物的線(xiàn)粒體基因組不同，盾片蛇菰的線(xiàn)粒體基因組由21個(gè)小型的（4-8 kb）環(huán)狀染色體組成，總長(zhǎng)僅有130,713 bp，是迄今為止被子植物中線(xiàn)粒體基因組第二小的案例。其線(xiàn)粒體基因的每個(gè)順式剪切的內(nèi)含子也是所有已報(bào)道種子植物和蕨類(lèi)植物中最短的。課題組進(jìn)一步利用Southern blot實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本物種線(xiàn)粒體染色體的環(huán)形結(jié)構(gòu)，明確確定其復(fù)制方式為滾環(huán)復(fù)制（rolling circle replication），并首次在植物中鑒定到線(xiàn)粒體DNA的復(fù)制起點(diǎn)——一段117 bp的回文序列（圖1）。本物種的每個(gè)線(xiàn)粒體染色體都可以劃分為四個(gè)區(qū)域（圖1），即由所有染色體共享的保守區(qū)（conserved region，CR），CR兩側(cè)的由串聯(lián)重復(fù)序列組成的高變區(qū)（hypervariable region，HV）和與HV相鄰的部分染色體之間共享的半保守區(qū)（semi-conserved region，SC），以及包含了所有基因的各個(gè)染色體的特有區(qū)（unique region，UR）。其中HV在同一染色體的不同拷貝間也會(huì)有很大的差異。有趣的是，這些結(jié)構(gòu)和特征與部分寄生動(dòng)物的線(xiàn)粒體基因組和少數(shù)自養(yǎng)原生生物的質(zhì)體基因組表現(xiàn)出相似性，表明部分植物和動(dòng)物中細(xì)胞器基因組結(jié)構(gòu)的趨同進(jìn)化。
圖1. 盾片蛇菰線(xiàn)粒體基因組的結(jié)構(gòu)、復(fù)制起點(diǎn)和染色體間HV以及SC區(qū)域的序列比較
盾片蛇菰的線(xiàn)粒體DNA在個(gè)體內(nèi)擁有極高的異質(zhì)性（heteroplasmy），主要表現(xiàn)為UR中豐富的的插入（insertion）、缺失（deletion）、復(fù)雜變異（complex variant）和HV中的拷貝數(shù)變異。在21個(gè)染色體的URs中一共檢測(cè)到777處異質(zhì)性變異（圖2），包括蛋白編碼區(qū)的167處。奇怪的是，蛋白編碼區(qū)的變異絕大多數(shù)都會(huì)造成非三基數(shù)的移碼突變，出現(xiàn)提前終止密碼子。以atp4基因（含有3處異質(zhì)性變異）為例，100個(gè)隨機(jī)克隆測(cè)序檢測(cè)到了所有的8（23）種變異體，其中可翻譯為全長(zhǎng)蛋白的克隆數(shù)僅有21個(gè)?；赗NA-seq數(shù)據(jù)分析表明：所有的異質(zhì)性變異都被無(wú)差別轉(zhuǎn)錄，且其頻率與在DNA-seq中檢測(cè)到的頻率相當(dāng)。然而，本物種的CR和質(zhì)體基因組中均無(wú)異質(zhì)性，這側(cè)面證實(shí)了CR的重要功能（包含復(fù)制起點(diǎn)）和該物種中線(xiàn)粒體基因組的獨(dú)特特征。另外，本研究未能檢測(cè)到在線(xiàn)粒體基因組中行使DNA復(fù)制、重組和修復(fù)的基因中的兩個(gè)基因（WHY2和OSB2/3/4）的表達(dá)，這可能是造成盾片蛇菰線(xiàn)粒體DNA極高異質(zhì)性的原因。
圖2. 盾片蛇菰21個(gè)線(xiàn)粒體染色體UR中的異質(zhì)性區(qū)域
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的周仁超副教授、美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)的Jeffery P. Mower以及阿根廷庫(kù)約國(guó)立大學(xué)的M. Virginia Sanchez-Puerta為文章的共同通訊作者。中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的17級(jí)本科生于潤(rùn)賢為文章的第一作者，19級(jí)碩士研究生孫晨雨、19級(jí)博士研究生鐘燕與劉瑩副教授參與了本研究。中山大學(xué)為本研究的第一單位。本研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221016122
