文献解读|秋葵线粒体基因组：结合叶绿体基因组和转录组数据的共同分析

小编：看了那么多植物叶绿体基因组的文章，您可知植物线粒体也很好发文章？

今天给大家带来的是发在BMC Genomics上的文章，该研究利用二代加三代测序数据组装并注释了秋葵(Abelmoschus esculentus) 的线粒体基因组，对其重复序列和DNA分子重排现象进行了研究，并结合已有的转录组数据进行RNA编辑分析，结合叶绿体基因组对基因转移现象进行解读。行文逻辑严谨，描述认真仔细，拿到数据不知如何写文章的老师们，也可以以此为模板发文，我们一起来学习一下吧。

原文标题：The complete mitochondrial genome of okra (Abelmoschus esculentus): using nanopore long reads to investigate gene transfer from chloroplast genomes and rearrangements

of mitochondrial DNA molecules

译名：秋葵(Abelmoschus esculentus) 的完整线粒体基因组：分析叶绿体基因组的基因转移及线粒体的 DNA 分子重排现象

期刊：BMC Genomics

IF: 4.547(Q2/3区)

作者单位：西南大学园艺园林学院

文章链接：https:// doi. org/ 10. 1186/ s12864- 022- 08706-2.

引言

秋葵(Abelmoschus esculentus L.Motch)是一种重要的经济作物，以其粘稠的汁液而闻名，具有重要的科学研究价值。秋葵叶绿体基因组已有报道，但其线粒体基因组序列尚缺乏。

研究内容/技术路线

实验结果

线粒体基因组特征

最初，作者获得了一个包含12对短重复序列（SR）和3对长重复序列（LR）的复杂装配图。依据长读数测序结果通过合并冗余节点共获得了12个contig（表1）。如图1所示，最终获得了秋葵两个独立的mtDNA分子，其中一个具有复杂的多分支构象，但它仍然是一个闭环结构（图1上）。另一种是典型的环状分子，包含一对长正向重复序列（LR11）（图1下）。作者试图用一条合理的路径来描述mtDNA的分子1（mtDNA m1），但无论作者多么努力，它都无法还原为一个没有分支的闭环分子。

小编：看到如此复杂的结构图，小编必须说，不要皱起眉头！哈哈，这都是正常情况啦。植物线粒体基因组广泛存在多元环状结构。已报道观察到的结构形式有环形、线形、Y型、H型 、多元线形 、及环形与线形共存等分子形式 。

依赖二代加三代测序数据，植物线粒体组装、注释、分析，已不是难题，欢迎老师们前来合作!

mtDNA包含24个独特的核心基因和10个独特的可变基因（表2），包括5个ATP合成酶基因（atp1、atp4、atp6、atp8和atp9），9个NADH脱氢酶基因（nad1、nad2、nad3、nad4、nad4L、nad5、nad6、nad7和nad9）、4个细胞色素C生物发生基因（ccmB、ccmC、ccmFc和ccmFn，泛喹啉细胞色素c还原酶（cob）和一个呼吸基因（sdh4）。此外，所有三个rRNA基因都是双拷贝基因，包括rrn5、rrn18和rrn26。基于tRNAscan SE，共鉴定出18个独特的tRNA基因

令人惊讶的是，作者还注释了mtDNA中的许多质体基因，但大多数只是片段，如ndhB、psbC、psbE、psbF、psbL、ycf2、psaB、psb M、rps12和rpl14。然而，作者观察到三个完整的质体基因psbJ、psaA和rps7。这一结果表明，秋葵cpDNA和mtDNA之间存在大量的序列迁移，伴随着基因转移，下面将详细讨论。图2显示了线粒体DNA基因组注释图。

重复序列介导的同源重组

确定了涉及介导基因组重组的14对重复序列（表3），包括前面描述的三对长重复序列。其余重复均为短重复，最长为322bp。它们的位置如图3所示。三对长重复序列介导的两种不同异构体的比例分别为48%和52%（LR9），69.49%和30.51%（LR11），60%和40%（LR12）。四对短重复序列（SR2、SR4、SR7和SR8）的两个重复单元位于这两个分子上。他们能够以较低的频率参与两个分子的重组，从而有机会合并成一个完整的分子。

细胞器基因组间的基因转移

基于BLASTn程序搜索了质体和线粒体两个细胞器之间的同源序列，以确定潜在的两个细胞器之间大量序列迁移事件。共鉴定出28个同源序列（图4A和表4），其中6个长度超过1000 bp，最长为5142 bp。然后作者提取并注释这些同源序列。在长读测序的帮助下，确认这些片段大多从cpDNA迁移到mtDNA，除了少数tRNA基因的序列高度相似无法确定迁移的方向。

在mtpt14上，除psbJ外，作者还发现了三个基因片段（psbL、psbF和psbE），它们可能已整体转移到线粒体，并在线粒体基因组进化过程中显示出不同程度的假基因化，但只有psbJ基因序列相对完整。基于mtpt14同源序列的系统发育分析结果表明，线粒体序列聚为一组（图4B）。经仔细观察序列，发现一些SNP和Indels仅在mtDNA中存在。这表明该同源序列在两个细胞器基因组经历了不同的进化过程。

小编：质体基因组和线粒体基因组之间的基因迁移该如何描述？到底是从质体到线粒体，还是从线粒体到质体，又怎么证明？一个基因它是完整都迁移过去了吗？迁移后注释成什么？这些问题是否有困扰过你呢，本篇文章的描述分析还是十分严谨认真的，可供我们一同学习！

细胞器基因组PCG中的RNA编辑位点

作者重点研究了黄秋葵细胞器基因组PCG中的RNA编辑事件。共有29个质体PCG（图5A）和26个线粒体PCG（见图5B）被鉴定为经历了RNA编辑事件。然而，质体PCG中识别的RNA编辑事件总数仅为85次，而线粒体PCG中为281次。

在质体PCG中，rpoC2的RNA编辑位点最多，其次是ndhB和ycf2，分别为16、13和11。在线粒体PCG中，rpl2具有最多的RNA编辑位点，有76个，其次是ndh4和rps14，均超过30个。

此外，作者总共鉴定了12种不同类型的RNA编辑，所有这些都在线粒体PCG中检测到。然而，在质体PCG中未发现A到C和C到G编辑类型（图5C）。其中，C到U编辑在质体和线粒体中最为常见（分别为52和185）。其他类型的大多数都小于10。就编辑效率而言，质体和线粒体的大多数PCG的编辑效率都在80%以上（图5D），低频编辑事件的数量相对较少。线粒体中46.62%（131）的编辑事件的编辑效率超过90%。然而，值得注意的是，此处确定的RNA编辑位点可能不完整，因多个线粒体PCG的基因表达较低，例如ccmB、ccmFN、mttB、nad4 L、nad9等。这些PCG缺乏足够的覆盖率，这可能是因为它们的表达水平低或测序数据量小。

结论

作者利用Illumina 和Nanopore 对秋葵的质体和线粒体基因组进行了测序，并对这两种细胞器基因组进行了比较研究。秋葵的质体基因组在结构上高度保守，但已证实秋葵的线粒体基因组具有丰富的亚基因组构型。组装结果表明，黄秋葵线粒体基因组主要以两个独立分子的形式存在，通过两对长重复序列可以分为四个独立分子。此外，作者发现四对短重复序列能够以低频率介导两个独立分子整合成一个完整分子。随后，还发现了秋葵两个细胞器之间的广泛序列转移，其中三个质体衍生基因（psaA、rps7和psbJ）在线粒体基因组中保持完整。此外，psbJ、psbF、psbE和psbL作为保守基因簇整合到线粒体基因组中，并作为非功能基因进行假基因化。只有psbJ保留了相对完整的序列，但在转录组数据中没有检测到它的表达，推测它仍然没有功能。最后，作者描述了黄秋葵细胞器基因组中蛋白质编码基因的RNA编辑事件。

小编：单个物种的线粒体基因组如何发文?如果您已经做过该物种的转录组测序，也做过了叶绿体基因组，那么本文的思路可以成为很好的范本，将这些数据再次利用起来，轻松发一篇不错的文章！