《The Plant Journal》：Nuclear DNA of plastid origin (NUPTs), neglected driver of genome variation and evolutionary innovation
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这篇综述系统阐述了植物核基因组中质体起源DNA序列（NUPTs）的最新研究进展，突破性地揭示了NUPTs并非传统认知中的"垃圾DNA"，而是通过阶段性爆发式形成、转座子介导的增殖扩散以及长期固定等复杂进化轨迹，显著促进基因组变异和进化创新。文章特别强调了NUPTs与特定转座子超家族的协同作用机制，及其在非编码RNA基因（如rRNA、tRNA）富集方面的重要功能，为植物基因组可塑性和环境适应性进化研究提供了全新视角。
SUMMARY
植物核基因组包含数量可变但通常占比较小的质体起源DNA序列（NUPTs）。与内共生事件期间发生的大规模DNA和基因从原细胞器基因组向核基因组的转移不同，NUPTs的形成是一个持续进行的过程，且不伴随DNA丢失。尽管NUPTs通常被认为是潜在有害的插入片段，会持续产生并以近乎恒定的周转速率快速消除，但积累的证据揭示了其替代的进化轨迹。本综述讨论了近期发现，这些发现凸显了NUPTs的阶段性形成、随后的增殖及其在核基因组中的最终长期固定。我们还探讨了它们与特定基因组元件的非随机空间关联。
INTRODUCTION
植物细胞中DNA被区隔在三个不同的亚细胞位置。这种基因组区隔化的进化起源由内共生理论解释，该理论认为祖先真核细胞先后吞噬了α-变形菌和光合蓝细菌，分别产生了线粒体和质体。这些初级内共生事件导致大部分来自被吞噬的原核内共生体的DNA和基因通过称为内共生基因转移（EGT）的特殊水平基因转移（HGT）方式转移到宿主核基因组中。与早期大规模EGT事件不同，NUPTs的形成涉及质体DNA片段的复制及其随后整合到核基因组中，而不是DNA片段从质体到细胞核的字面转移。
THE PROCESS OF FORMATION OF NUPTS
NUPTs的形成过程尚不完全清楚，但认为涉及以下事件序列并受若干因素影响：（i）质体DNA片段的复制，（ii）质体DNA的释放或泄漏，（iii）其核输入，以及（iv）随后整合到核基因组中。
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质体DNA的复制： 第一步涉及从质体基因组复制一个DNA片段。证据表明NUPTs主要来源于DNA中间体，而非RNA中间体。质体基因组以每个细胞器多拷贝形式存在，其复制不与质体或细胞分裂严格协调，导致拷贝数波动，以及质体DNA经历由细胞器特异性核酸外切酶（如DPD1）介导的主动降解，可能产生NUPTs起源的DNA片段。
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质体DNA的泄漏或释放： 关于质体DNA泄漏的机制，主要有两种模型。第一种涉及质体与细胞核之间的直接物理接触，但尚无证据支持质体基因组DNA可通过基质管（stromules）转移到细胞核。第二种模型表明质体细胞器膜的裂解使得质体DNA释放到细胞质中，该模型与NUPTs形成和质体复制及降解动力学的机制关联相符。
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质体DNA的核输入： 虽然小的质体DNA片段原则上可以被动扩散通过核孔，但大多数NUPTs大于这种进入的尺寸排阻极限。目前的主要假设涉及与细胞分裂的机制关系，在有丝分裂和减数分裂期间，核被膜的瞬时解离可能允许释放到细胞质中的质体来源DNA进入核区室。
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质体DNA整合到核基因组： 质体DNA序列整合到核基因组的分子机制可能多样，通常涉及通过非同源末端连接（NHEJ）修复途径或相关途径修复双链断裂（DSBs）。此过程常伴随侧翼序列的删除，使得质体DNA插入成为潜在的诱变事件。NUPTs可以以多种形式存在，包括共线簇、非共线簇和混合簇。
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影响NUPTs形成的因素： NUPTs形成的频率在不同发育阶段、组织类型和环境条件下差异显著，特别是在与质体破坏相关的条件下会增加。例如，配子发生（尤其是雄配子体）和某些非生物胁迫（如轻微热胁迫）可增加NUPTs形成频率。染色质拓扑结构和DSB修复能力等核基因组特性也影响NUPTs的积累。
METHODS FOR DETECTING NUPTs
目前检测NUPTs的计算机方法主要基于局部序列比对程序。然而，标准比对器很可能排除较老的NUPTs，而非常近期的长NUPTs可能被当作细胞器污染去除或在组装中缺失。因此，基于比对的方法可能低估了NUPTs的真实丰度。基于k-mer的比对无关方法可能为检测高度分化的NUPT序列提供替代途径。
EVOLUTIONARY AND FUNCTIONAL FATE OF NUPTs
新证据表明NUPTs通过阶段性爆发产生，与其在基因组中的长期固定一致，之前可能经历增殖和扩散。
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突变衰变和消除： 大多数新形成的NUPTs预期会中性进化或最终有害并被选择淘汰，经历快速衰变和消除。这导致同一物种内不同个体间存在显著的NUPTs变异。然而，在一些植物基因组中观察到超过1%甚至高达约3.29%的核DNA来自质体起源，这对NUPTs必然损害核基因组稳定性的普遍看法提出了挑战。对NUPTs年龄分布的分析支持其阶段性形成模式，并且许多物种显示NUPTs年龄与大小呈正相关，挑战了衰变和消除是NUPTs唯一进化命运的观点。
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NUPTs在核基因组中的增殖： NUPTs可以增殖，形成串联重复拷贝阵列或分散的拷贝。有证据表明，单个NUPTs可能通过转座子（TEs）介导的机制在整合到核基因组期间或之后进行复制。NUPTs分布倾向于与富含TE的区域共定位，并且最近一项调查证明NUPTs在空间上优先与至少一个TE超家族（通常是逆转录转座子）相关联。
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NUPTs的阶段性形成揭示长期固定： NUPTs的阶段性形成反映了它们在基因组中的长期固定。这种固定表现出相对于各种基因组特征的空间偏好。与结构基因相比，某些类别的RNA基因，包括参与蛋白质生物合成的rRNA和tRNA基因，以及特定类别的调控RNA基因，被发现在NUPTs中持续过度呈现。源自NUPTs的RNA基因并非预期有功能，但在辣木（Moringa oleifera）中发现其中相当一部分是功能表达的。NUPTs可能有助于核内rRNA和tRNA基因库的扩展和多样化，对真核蛋白质生物合成机器的进化具有潜在意义。最终，质体起源的基因和基因区域在细胞核中的固定凸显了NUPTs作为进化创新重要来源的地位，可能有助于适应性基因组进化。
CONCLUSION
关于NUPTs本质上具有危害性或仅是中性地贡献于基因组大小的主流观点正在逐渐转变。积累的证据表明，NUPTs可以通过产生新的和新颖的基因、基因区域和调控元件来促进基因组多样性和进化创新。环境胁迫已被证明会增加NUPTs形成的频率，而NUPTs又有可能激活特定的TEs。因此，与NUPTs优先共定位的TE超家族在转座机制、激活状态和胁迫响应性方面的变异，可能在决定NUPTs的最终进化命运（是被快速消除，还是增殖并在基因组中固定）方面起关键作用。这种模式可能是核基因组中质体来源DNA含量存在物种特异性变异的基础。
