关于中国极度濒危且特有的樟科植物Syndiclis anlungensis的完整线粒体基因组的报告

《Plant Gene》：Report on the complete mitochondrial genome of the critically endangered and endemic Lauraceae plant Syndiclis anlungensis in China

首次完成云南紫荆（Syndiclis anlungensis）线粒体基因组测序，揭示其2,370,899bp基因组包含26核心PCG、18可变PCG及55tRNA，含703SSR、204串联重复及1993分散重复。RNA编辑识别755位点，其中47.28%导致亲水→疏水氨基酸转变。Ka/Ks分析显示ccmF和rpl16基因存在正向选择。鉴定62段（67,900bp）线粒体-叶绿体同源片段，占线粒体基因组2.86%。系统发育分析将其定位为Lauraceae基部分支。该成果为濒危植物保护遗传学研究提供分子基础。

　　

黄朗|姜东振|杨彦兵|陈瑞|李志|周雷|肖旭

中国贵州省贵阳市，贵州林业科学院，邮编550005

摘要

在本研究中，我们利用Illumina和Oxford Nanopore测序技术组合对的线粒体基因组进行了测序，并对其进行了组装和注释。的线粒体基因组总长度为2,370,899 bp，包含26个核心蛋白编码基因（PCGs）、18个可变PCGs和55个tRNA基因，并表现出由3个直接重复序列介导的多部分亚结构。重复序列分析显示，该基因组包含703个简单序列重复（SSRs）、204个串联重复和1993对分散重复。PCGs的密码子使用分析和RNA编辑位点预测表明，线粒体PCGs中93.1%的高频密码子以A/T结尾，共鉴定出755个RNA编辑位点，其中357个位点（47.28%）导致氨基酸从亲水性变为疏水性，69个位点（9.14%）导致氨基酸从疏水性变为亲水性。Ka/Ks分析表明，如和等基因处于正选择状态。此外，在线粒体基因组和叶绿体基因组之间鉴定了62个同源片段（总计67,900 bp），占线粒体基因组长度的约2.8639%。基于线粒体CDS的系统发育分析将置于樟科线粒体基因组的基部位置。而基于叶绿体PCGs的系统发育分析则将确定为的最近亲缘物种。本研究首次提供了的完整线粒体基因组，揭示了其动态结构及其进化适应性，有助于保护工作和系统发育研究。

引言

Syndiclis anlungensis属于樟科（Lauraceae）的属（Beilschmiediineae亚族），在中国生物多样性红色名录——高等植物卷（2020年）中被列为极危物种（MEE和CAS，2020年）。自20世纪80年代以来，由于长期野外调查未发现该物种的踪迹，人们一直认为它已经灭绝，直到2015年才重新发现存活的野生个体（Liu，2015年）。目前全球仅存两棵成熟树木，树干直径为20-40厘米，分布在贵州省安龙县杜山镇的王园村和波罗村。研究表明，面临生存挑战，如自然再生能力弱和环境适应能力差（Chen等人，2023年）。剩余种群的极度稀有性和有限的再生能力加剧了严重的遗传多样性丧失风险。从进化遗传学的角度来看，长期的小种群隔离使该物种容易受到遗传瓶颈效应的影响，导致有害等位基因的积累和适应潜力下降（Frankham等人，2017年）。尽管重新发现存活个体为物种生存带来了希望，但严重的基因流限制可能会加剧近交衰退，进一步降低物种对环境变化的抵抗力。在这种情况下，对其遗传系统的深入研究——特别是其基因组的进化动态——对于评估物种生存能力和制定基于科学的保护策略至关重要。目前关于的基因组研究仍然有限，现有工作主要集中在叶绿体基因组系统发育和密码子使用偏倚分析上，而其完整的线粒体基因组尚未被探索（Massoni等人，2014年；Lou等人，2022年）。这一关键空白极大地阻碍了对该物种进化适应机制的研究以及基于科学的保护方法的开发。

线粒体是植物最重要的细胞器之一，与呼吸代谢和能量合成密切相关（Spinelli和Haigis，2018年）。作为植物中第二大基因组，线粒体基因组编码了呼吸链复合体的关键亚基，如细胞色素氧化酶和NADH脱氢酶，这些对于呼吸作用、电子传输系统和能量转换至关重要（Mower等人，2012年）。尽管线粒体蛋白编码基因（PCGs）的进化速度较慢，但它们的功能变异和RNA编辑已被证明显著影响植物的抗逆性和繁殖适应性（M?ller等人，2021年；Hernould等人，1993年；Ramadan，2020a年；Kubo和Newton，2008年）。对于而言，研究其线粒体基因组的突变和进化不仅有助于阐明其进化动态，还能为评估其环境应激响应能力提供重要的分子见解。

值得注意的是，植物线粒体基因组表现出非凡的可塑性：频繁的重组产生了多样的结构配置，包括主环状分子、亚基因组环状形式和多部分结构（Gualberto等人，2014年；Kozik等人，2019年）。在被子植物中，线粒体基因组的大小相差两个数量级——从的约222 Kbp到的11.3 Mbp，在裸子植物中可达11.7 Mbp（Zhou等人，2021年；Fields等人，2023年；Putintseva等人，2020年）。在长期进化过程中，线粒体通过不对称的细胞内DNA转移机制不断整合来自叶绿体的DNA片段。这些整合的片段（从几十到数千个碱基对不等）通常保留完整的叶绿体基因或基因簇，在线粒体基因组进化过程中积累不同程度的重组和突变，从而成为遗传和进化信息的重要储存库（Wang等人，2007年）。这种高度动态的遗传特征赋予线粒体基因组丰富的分类学信息，为解决及其近缘物种的遗传和进化挑战提供了独特优势。

本研究采用Illumina和Oxford Nanopore测序技术组合，首次完成了线粒体基因组的测序和组装。对其组成结构、密码子使用偏倚、重复序列、RNA编辑位点和叶绿体来源的同源序列进行了全面分析，以表征其基因组结构。此外，Ka/Ks分析阐明了及其近缘物种在环境压力下线粒体蛋白编码基因（PCGs）的进化机制。利用和其他高等植物的线粒体和叶绿体PCG数据集重建了系统发育树，确定了该物种的系统发育位置。这些发现不仅揭示了线粒体基因组的遗传特征和进化动态，还为遗传改良提供了基础分子数据。

材料收集、DNA提取和测序

本研究关注位于贵州省安龙县杜山镇王园村的（地理坐标：E105°36′55.08″，N25°15′51.98″）。从树的中层冠层收集健康无病的幼叶。野外采样后立即将叶片组织在液氮中快速冷冻，并长期保存在-80°C。DNA提取时，使用液氮研磨将冷冻叶片组织粉碎，然后采用改良的CTAB协议进行提取（

线粒体基因组的组装和注释

本研究采用混合组装策略成功解析了的线粒体基因组结构。结果显示，其线粒体DNA具有典型的分支特征，并可通过三组直接重复序列介导的重组形成多亚型动态结构。通过Unicycler软件的系统分析，我们将主要环状分子组装为两条线性染色体：Chr1（2,135,163 bp，GC=46.13%）

讨论

植物的线粒体基因组在进化过程中经常发生重组，导致其结构和复杂性多样（Jiang等人，2023年；Yang等人，2022年；Xiao等人，2025年；Jiang等人，2025年）。这在木兰目（Magnoliidae）物种中已有充分记录。例如，在SAURURACEAE科中，的线粒体基因组主要采用双环结构，但可以通过同源序列在不同配置之间动态转换（

结论

本研究首次提供了极度濒危物种的完整线粒体基因组，揭示了一个由三组直接重复序列（R12/R14/R15）通过重组形成的动态2,370,899 bp结构。该基因组包含26个核心和18个可变蛋白编码基因（PCGs）、55个tRNA以及丰富的重复序列（703个SSRs、204个串联重复、1993个分散重复）。RNA编辑改变了755个位点中的47.28%，使其变为疏水性氨基酸，可能增强了蛋白质稳定性。和<>基因经历了正选择（Ka/Ks）

CRediT作者贡献声明

黄朗：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、软件使用、资源获取、正式分析、数据管理、概念化。姜东振：原始草稿撰写、软件使用、正式分析、数据管理。杨彦兵：方法学研究、调查。陈瑞：可视化、监督。李志：写作——审稿与编辑、资源获取、调查、资金获取。周雷：验证、方法学研究。肖旭：概念化。

出版同意

不适用。

伦理批准和参与同意

本研究使用的所有材料均符合国际和国家法律标准。收集的物种材料不会对其他物种构成威胁，且物种采集得到了相关机构的认可。

资助

本研究得到了贵州省科技计划项目（Qiankehejichu-ZK[2022] General 240）、贵州省林业研究项目（QianlinKehe-J[2019] 11）以及国家自然科学基金（项目编号32400179）的支持。

利益冲突声明

所有作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢编辑和匿名审稿人对手稿提出的有益评论和建议。