金丝桃属线粒体基因组揭示系统发育关系与细胞器间冲突的新视角

《Frontiers in Plant Science》：Newly assembled mitochondrial genomes of Hypericum (Hypericaceae) provide insights into phylogenetic relationships and inter-organellar conflict

本研究首次完成金丝桃属植物黄海棠（Hypericum ascyron）和贯叶连翘（H. perforatum）线粒体基因组（mitogenome）的组装注释，通过比较基因组学揭示其结构变异、RNA编辑（C-to-U）及细胞器间系统发育冲突（inter-organellar conflict），为理解金丝桃属进化动力学提供重要基因组资源。

　　

1 引言

线粒体作为真核细胞的能量工厂，其基因组（mitogenome）在植物中展现出显著的大小变异（66 kb~18.99 Mb）和复杂的动态结构。金丝桃属（Hypericum）作为Hypericaceae中最大的属，具有重要药用价值，但此前系统发育研究多基于核糖体ITS和质体标记，缺乏线粒体基因组层面的深入解析。本研究利用PacBio HiFi长读长测序技术，首次组装了黄海棠（411,519 bp）和贯叶连翘（485,128 bp）的线粒体基因组，并整合达尔文生命之树计划中的4个近缘种数据，开展比较基因组与系统发育分析。

2 材料与方法

样品采自贵州安龙县与凤冈县，通过CTAB法提取DNA后，采用HiMT、Oatk等四种组装工具构建线粒体与质体基因组。注释通过PMGA和PGA完成，并利用REPuter、MISA等工具分析重复序列与RNA编辑位点。系统发育树基于29个保守蛋白编码基因（PCGs），通过最大似然法和贝叶斯推断构建。

3 结果

3.1 基因组组装与基本特征

黄海棠线粒体基因组为单一环状分子，而贯叶连翘呈现双染色体结构（Chr1: 204,492 bp; Chr2: 280,636 bp）。两者均含30个保守PCGs和17~21个tRNAs，GC含量稳定在43.92%~44.28%。质体基因组呈典型四分体结构，长度介于139,437~165,518 bp。

3.2 重复序列与密码子使用偏好

分散重复序列（dispersed repeats）占比最高（黄海棠5.70%，贯叶连翘2.95%），以正向和回文重复为主。密码子使用分析显示亮氨酸（Leu）使用频率最高，GCU（丙氨酸）为最常用密码子。

3.3 质体来源序列（MTPTs）鉴定

黄海棠和贯叶连翘分别携带22和25个MTPTs，长度39~6,337 bp，其中黄海棠MTPTs包含7个完整tRNA基因（如trnI-CAU），贯叶连翘特有trnH-GUG。这些片段主要源自质体LSC区域，贡献了基因组大小的4.6%~5.9%。

3.4 比较基因组学与系统发育冲突

六种金丝桃线粒体基因组共线性分析显示大量重排事件。质体与线粒体系统发育树在H. hirsutum、H. pulchrum和H. perforatum的拓扑结构上存在冲突：质体树支持H. hirsutum与H. pulchrum成支，而线粒体树将H. pulchrum与H. perforatum聚类。

3.5 RNA编辑位点分布

预测到316~324个C-to-U RNA编辑位点，其中mttB编辑位点最多（30个），其次为ccmC、nad2等基因。编辑位点主要位于密码子第一、二位点，非同义突变占比达90%以上，且H. pulchrum的ccmC特有5个额外编辑位点。

3.6 Malpighiales系统发育框架

基于29个PCGs构建的系统发育树强支持Hypericaceae与Podostemaceae为姐妹群，并与Calophyllaceae、Clusiaceae构成演化支，明确了金丝桃属在Malpighiales中的分类地位。

4 讨论

4.1 线粒体基因组结构变异

金丝桃属线粒体基因组大小差异主要源于非编码序列与MTPTs的积累，而非基因含量变化，符合植物线粒体通过重复序列重组实现结构可塑性的普遍规律。

4.2 重复序列与MTPTs的进化意义

高频重复序列（尤其正向与回文类型）为同源重组提供基础，而MTPTs的跨物种保守性（如trnD-GUC热点）暗示序列特异性整合偏好。

4.3 RNA编辑的功能保守性与特异性

编辑位点分布模式与近缘物种高度一致，但H. pulchrum中cox3基因的独有编辑提示谱系特异性演化事件，可能通过逆转录机制导致编辑位点丢失或获得。

4.4 系统发育冲突的潜在机制

线粒体与质体拓扑结构差异可能源于杂交、不完全谱系分选（ILS）或基因转移，强调多基因组数据整合对解析金丝桃属复杂进化历史的重要性。

5 结论

本研究首次提供金丝桃属线粒体基因组资源，揭示其结构动态、RNA编辑模式及细胞器间冲突，为后续功能基因组学与育种研究奠定基础。