知识科普/植物线粒体基因组结构——多染色体结构

导读

植物含有线粒体和质体基因组，他们只保留了有限的蛋白质和RNA成分来维持常规的生物发育和特定的细胞分裂。线粒体基因组起源于α‐变形菌门，在真核生物谱系中经历了极其不同的进化。与紧凑保守的动物线粒体基因组相比，植物线粒体有许多独特的特点，尤其是庞大而复杂的基因组排列。二代测序的植物线粒体基因组的大小，从66kb（ Viscum scurruloideum）到11000kb（ Silene conica）不等。除了典型的环状结构外，一些种类还具有线性甚至多染色体结构。目前成千上万的动物线粒体基因组和植物质体基因组都已测序完成。但植物线粒体基因组大约只有200个被发表，其中许多还只是草图。本文概述了植物线粒体基因组中发现的一些已知新特征，重点介绍了近年来文献中描述的多染色体结构；展望了多染色体植物线粒体遗传模式及在不同分类组织水平(包括种群水平)研究线粒体结构变异的前景。

论文ID

原名：Genomic architectural variation of plant mitochondria—A review of multichromosomal structuring

译名：植物线粒体基因组结构——多染色体结构综述

期刊：Journal of Systematicsand Evolution

IF：4.098

发表时间：2020.06

通讯作者：武志强

通讯作者单位：中国农业科学院深圳农业基因组研究所

DOI： 10.1111/jse.12655

基因组大小变化

与植物cp和动物mt基因组相比，植物mt基因组在不同物种间的大小差异很大，从66kb到100bp不等。苔藓植物最小，它保守的mt基因组大小和结构可能与基因组有限的重复序列有关，它们涉及到大量mt基因组结构重排。最大的mt基因组为11 300 kb（圆锥麦瓶草 Silene conica)，与苔藓植物相比，Silene属的mt基因组大小差异较大，该属基因组大小进化迅速。Silene属 mt基因组大小变化由非编码DNA的积累造成，编码区占总基因组含量不到1%。

引起植物线粒体基因组大小变化的机制是多样的，主要原因是重复序列的扩散、外源DNA合并、大基因片段的获得或失去。玉米多个mt基因组测序发现大小在535 825 bp-739 719 bp，大小差异由重复量大(0.5 ~ 120 kb)造成。

全染色体的存在/缺失引起基因组扩张主要机制并不能很好地解释Silene mt基因组大小变化。S. noctiflora的mt基因组6700 kb 被细分为59条独立mt染色体，其中只有30kb为功能基因，其余99.6%的为非编码基因，在GenBank nr数据库中无法找到相应的同源序列。不同居群的独立 S. noctiflora个体进行测序，发现mt基因组分离为63条独立染色体，总长度为7100 kb。BRP和OSR之间410 kb的差异主要是由19条独特染色体的存在或不存在造成，50条共享染色体之间的长度差异仅为13 kb。

线粒体中的多染色体基因组结构

动物mt基因组的首个测序为人类和果蝇，它们具有高度保守序列的环状分子因此认为所有mt基因组都是单环状分子。然而最近发现，大多数mt基因组不符合这一模型。例如，许多真核生物包括大多数陆地植物的基因组在内容和结构上都发生了根本性变化。已测序的植物mt基因组中，约10%具有多种染色体结构。迄今为止分析的大多数陆地植物 mt 基因组都可以映射为单个环状主染色体和副主控（次环）环状染色体产生于活跃跨大直接重复的重组。主环和次环mt 基因组已在几个植物谱系中得到描述。曾经认为所有mt基因组都是环状分子，然而，现已经确定mt基因组偏离环状分子，线性和线性片段的mt基因组在多种真核生物谱系中已经进化了无数次。植物内的其他细胞器基因组也发现具有复杂结构。例如质体基因组发现根据质体成熟的阶段以线性、分枝和圆形排列的方式发生，此外，质体中发现依赖于重组的复制和降解，在成熟过程中基因组拷贝数可能大于单个拷贝数，在成熟质体中则可能小于单个拷贝数或几乎不存在。

动物mt基因组的多染色体结构

20世纪90年代末，所有的动物mt基因组都具有小的环状结构和高度保守的基因组内容。除了典型的16kb动物环状虫基因组保守外，人类虱(人虱科)的环状虫基因组分为18条独立的环状染色体，每个环状染色体长度在3 ~ 4kb之间，含有1 ~ 3个功能基因。首次发现P. humanus多染色体mt基因组结构以来，在Psocodea(虱子)的不同谱系中也发现了其他几个多染色体mt基因组，表明这类昆虫的多染色体mt基因组是独立派生的。寄生吸虱(Anoplura, P. humanus, P. capitatus和Pthirus pubis)的mt基因组染色体数目最多，Psocodea的其他多染色体系(Coloceras sp.)中发现了两部分构成的结构以及Psocodea物种拥有单一的环状mt基因组。

真菌mt基因组的多染色体结构

在丛枝菌根真菌Rhizophagus sp.中首次报道了一个多染色体的mt基因组结构。DAOM 213198 mt基因组分为两条独立的环状染色体，分别为69964 bp和29078 bp，与迄今为止测序的所有其他单环mt基因组肾小球菌不同。不同于植物中的多染色体mt基因组拷贝数是可变的，qPCR检测发现食根菌DAOM 213198 mt基因组的两条染色体出现相同的拷贝数。 Rhizophagus sp. DAOM 213198的染色体拷贝数相同，染色体之间的基因含量不同，大染色体含有 9 个蛋白质编码基因、一个小亚基 rRNA 基因、20 个 tRNA 编码基因和 10 个ORF；小染色体含 5 个蛋白质编码基因，一个大亚基 rRNA ，5 个 tRNA 和 8 个质粒相关 DNA 聚合酶。真菌几个谱系中发现了多染色体mt基因组，动物却是独立的衍生，可能通过不同机制造成的。进一步的工作需要确定更多的真菌mt基因组的特征，并阐明单环状染色体进化为稳定的多染色体基因组的机制。

植物mt基因组的多染色体结构

大多数多染色体mt基因组分为2-5个独立的contigs (组装草图)或圆形染色体。最大的mt基因组为裸子植物，它们的基因组为草图，染色体数量无法准确分辨。黄瓜 mt基因组有2条小圆形染色体，长度分别为45kb和84kb，其余1556kb为大圆形染色体。A. trichopoda的mt基因组进行组装绘制为5条环状染色体，长度为119 ~ 3179 kb。全寄生植物 Lophophytum mirabile mt基因组822 kb，为54条独立的圆形染色体，大小7177 ~ 58 274 bp。根据不同的种群， S. vulgaris 的mt基因组包含4 ~ 7条圆形染色体，最小的染色体长度约为5 kb。S. noctiflora和S. conica 分别在59 ~ 63个环状染色体上和128个环状染色体上发现了一个6728 kb基因组和1118 kb基因组。与动物和真菌多染色体mt基因组中功能基因在染色体之间平均分配不同，Silene mt基因组中多染色体的几十条“空”染色体不包含任何功能基因。除了mt基因组大小和染色体数目的差异外，某些植物谱系中也有染色体拷贝数的变异。深度测序和高覆盖度数据表明，黄瓜3条mt染色体存在不同重复率;大染色体(1556 kb)的拷贝数大约是两条小染色体的两倍，表明三个mt染色体可以在黄瓜植物细胞中独立复制。已发表的两个S. noctiflora多染色体mt基因组在50个共享染色体之间的拷贝数也存在差异。与黄瓜和Silene相比，全寄生植物L. mirable的读取深度数据表明，mt染色体的拷贝数几乎相等。此外，在某些mt染色体上，染色体亚化学计量位移或区域拷贝数被某些核编码基因调控于异位重组位点。植物线粒体基因组的数据非常有限，需要对线粒体基因组进行进一步的研究，这会对这些结构各异的基因组的基因组进化和分子功能产生新的发现。

多染色体基因组研究展望

已测序的陆地植物mt基因组中发现了基因组大小差别比较大，这是由几种机制演化而来的。为了解物种的大小变化作用机制，需要在物种内部和物种间进行大量研究工作。目前对多染色体mt基因组大小和结构的可变性了解甚少，特别是在种群水平上。因为抽样有限很可能会发现其他谱系拥有比在Silene中更多的染色体。Silene作为模式物种，在种间和种内水平上探索多染色体mt基因组变异。对世界24个不同居群S. noctiflora分析，结合基因组测序和系统发育分析，预测(在大规模的祖先扩张之后)染色体丢失事件应该是多染色体mt基因组进化的主导模式。本研究有限的基因组数据并没有提供一个结论性结果，说明需要在这一领域进行更多的研究。植物中多染色体细胞器基因组的存在提出了许多基本问题。例如在组织(生物体、种群、物种等)哪个层次上，多染色体基因组在大小、序列含量和染色体数目及进化速度方面具有最大的可变性？细胞分裂过程中控制多染色体mt基因组复制和分离的潜在新机制？“空”染色体在多染色体mt基因组中发挥什么作用，它们为什么被保留？在不同的发育阶段/不同的选择压力下，它们呈现出什么样的拷贝数？

结论

由于上述植物线粒体基因组的复杂特性，从植物中获得的线粒体基因组远少于植物cp基因组和动物线粒体基因组，特别是高富集重复序列的存在和频繁的重组，阻碍了精确组装的进展。由于Illumina的读长通常不跨越不同区段，因此需要组装不同的区段，不能准确地测定线粒体基因组的长度和含量。然而，长读TGS如Oxford Nanopore和PacBio测序提高覆盖范围，并允许在以前未组装的基因组区域搭建。例如，甘蔗的mt全基因组使用PacBio RSII平台进行测序，并组装成两个不同的圆形染色体，所有重复序列由单个reads跨越。类似地，将Hi - C文库与PacBio长读测序和Illumina测序相结合，对三种生菜的基因组进行了测序和精确组装。利用TGS方法可以改善线粒体基因组组装，但由于细胞核和叶绿体DNA对线粒体DNA读取量的影响，使用总基因组DNA仍然是一个挑战。使问题进一步复杂化的是mt基因组的众多结构形式(甚至在一个物种或属内)和mt基因组序列的复杂性。

小编总结

本文通过作者的专业和知识储备归纳总结了动植物真菌线粒体自研究以来的结构形态变化，阐明了线粒体基因组除了简单环状外由于基因组的重排和重复序列重组也会形成多染色体结构的线粒体基因组。所以如果您的线粒体基因组给到的结果如果不是简单环状的话而是线性分支、单线性、降解状、彗星状、环状分枝状，如果从目前组装技术水平上看没有问题的话，请不要怀疑更不要质疑它是错的，这种结果确确实实是在物种体内存在的哦！

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