基于线粒体基因组的地卷衣属地衣遗传多样性、内含子演化与系统发育研究

《Frontiers in Microbiology》：Comprehensive analysis of the mitochondrial genome in lichen genus Xanthoparmelia: genetic diversity, intron dynamics, and evolutionary dynamics

本研究首次对地卷衣属（Xanthoparmelia）11个物种的线粒体基因组进行系统性解析，揭示其基因组大小变异（81–88?kb）主要受内含子长度（p<0.001）及重复序列动态调控，发现cox1基因为内含子富集热点，14个蛋白编码基因（PCGs）均受纯化选择（Ka/Ks<1）。通过14个PCGs和2个rRNAs构建的高支持度系统发育树，为这类形态相似的超多样化地衣属的物种界定和进化关系提供了新见解。

　　

引言

地衣是由共生真菌和光合生物（共生藻类或蓝细菌）组成的经典共生复合体。作为地衣形态构建的主要成分，共生真菌在结构形成、繁殖方式和次级代谢中起核心作用。地卷衣属（Xanthoparmelia）是梅衣科（Parmeliaceae）中物种最丰富的属之一，已知超过800种，但其内部分类和种间系统发育关系仍存在较大争议。传统形态和化学特征难以准确界定物种边界，因此需要开发更全面的遗传分析工具。线粒体基因组因其基因含量相对保守、进化速率较高等特点，在真菌系统发育和进化研究中具有重要价值。截至2025年10月22日，NCBI数据库中仅收录4个地卷衣属完整线粒体基因组，相关功能分析研究仍较有限。

材料与方法

研究采集了11种地卷衣属地衣样本，通过形态学、解剖学、化学特征及ITS序列分析进行物种鉴定。利用DNBSEQ平台进行全基因组测序，使用GetOrganelle和NOVOPlasty进行线粒体基因组从头组装，并通过多种在线工具进行注释。通过BLASTn、Tandem Repeats Finder、REPuter和MISA等软件分析重复序列，利用PhyloSuite和MEGA进行密码子使用偏好性分析，并基于内含子插入位点进行内含子分类（Pcl）。采用最大似然法（ML）和贝叶斯推断法（BI）基于14个PCGs和2个rRNAs构建系统发育树。

结果

3.1 线粒体基因组基本特征

11种地卷衣属物种的线粒体基因组均为环状DNA分子，大小介于81,194?bp至88,245?bp之间，GC含量为30.2%–30.8%。所有基因组均包含14个PCGs（7个NADH脱氢酶基因、3个细胞色素c氧化酶基因、2个ATP合酶基因、1个细胞色素b基因和1个核糖体蛋白基因_rps3）、2个rRNA基因和26–27个tRNA基因。值得注意的是，所有物种均未检测到_atp9基因。

3.2 重复序列分析

在不同物种中鉴定出20–36个重复元件，包括分散重复、简单序列重复（SSR）和串联重复。其中直接重复和回文重复出现频率最高，SSR中以单核苷酸重复为主。这些重复序列主要分布在内含子和基因间区。

3.3 密码子使用分析

14个PCGs的密码子使用频率高度相似，偏好使用A/T结尾的密码子。亮氨酸（Leu）、丝氨酸（Ser）和精氨酸（Arg）均由6个密码子编码，其中精氨酸主要使用AGA密码子。起始密码子以ATG为主，_cox2和_rps3使用TTA，终止密码子主要为TAA和TAG。

3.4 内含子动态分析

15个地卷衣属物种共检测到239个内含子，其中95%位于PCGs中。内含子长度与基因组大小呈极显著正相关（Pearson=0.9389，p<0.001），表明内含子是导致基因组大小变异的关键因素。_cox1基因是内含子分布的热点区域，共发现10种不同Pcl类型的内含子。不同物种间存在频繁的内含子丢失/获得事件。

3.5 遗传距离与进化速率

14个PCGs的Ka/Ks值均小于1，表明这些基因均受到纯化选择。其中_atp6基因的遗传距离最大（K2P=0.231），进化速率最快；而_cob基因最为保守（K2P=0.001）。

3.6 共线性分析

共线性分析识别出9个同源区块，大多数区块的顺序和方向在属内保持稳定。但在_X.durietzii、_{X.viriduloumbrina}和_X.weberi中发现了特定区块的重排现象，这些重排主要发生在基因间区。

3.7 系统发育分析

基于14个PCGs和2个rRNAs构建的系统发育树显示，15种地卷衣属物种形成单系群，与Parmotrema属聚为一支，支持率高达100%（ML）和1.00（BI）。_X.conspersa、_X.coreana、_X.orientalis和_X.tinctina聚为一个亚支，而_{X.viriduloumbrina}位于较末端的分支。

讨论

研究发现地卷衣属线粒体基因组缺乏_atp9基因，这可能是共生类群基因组简化的体现。内含子的动态变化是导致基因组大小差异的主要因素，其中_cox1基因是内含子演化的热点区域。所有PCGs均受到强烈的纯化选择，表明核心线粒体功能在进化上较为保守。系统发育分析为地卷衣属内物种关系提供了高支持度的解析框架，解决了部分分类学 uncertainty。

结论

本研究首次对地卷衣属11个物种的线粒体基因组进行了全面分析，发现基因组大小变异主要受内含子长度和重复序列共同调控。_cox1基因是基因组多样性的动态热点，14个PCGs均受到纯化选择。系统发育分析明确了地卷衣属内的进化关系，为这类形态相似的超多样化地衣属的物种界定和分类研究提供了重要的基因组学资源。