《New Phytologist》：Evolutionary mobility and genetic dynamics of MORFFO genes: shuttling among ancient plant lineages
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本文揭示了陆地植物质体基因组（plastomes）中一个独特的动态特征，聚焦于蕨类植物特有的可移动开放阅读框（MORFFOs）。研究以古老的蕨类植物科——Anemiaceae（卷柏目）30个物种为对象，深入探究了这些非典型蛋白编码基因（CDS）的转座、替代模式、密码子使用及RNA编辑特征。研究发现，MORFFOs显著增加了质体基因组的大小，分布在不同的基因间区（IGS），与经典的质体CDS相比，具有动态的基因位置、谱系关系和极高的替代率。尽管受到纯化选择，但其密码子偏好性明显偏离其他质体基因，表明其可能具有独立于质体的转录、翻译和复制能力。研究指出，MORFFOs是一类动态的、潜在自私的遗传元件，蕨类质体基因组可能通过频繁的水平基因转移（HGT）和可能的细胞内基因转移（IGT）获得这些可移动的CDS，这为理解植物细胞器基因组的演化可塑性与基因流动提供了新视角。
质体基因组架构与MORFFO的鉴定
通常，陆地植物的质体基因组（plastomes）以其高度保守的组织结构和基因内容为特征。然而，蕨类植物的质体基因组却展现出意想不到的动力学特征，其标志是存在可移动的蛋白编码基因——蕨类细胞器可移动开放阅读框（MORFFOs）。本研究在古老的蕨类谱系Anemiaceae的30个物种中，深入研究了MORFFOs的演化动态。
研究组装了包括Anemia和Lygodium在内的多个物种的完整或接近完整的质体基因组。所有质体基因组都呈现出由一个大单拷贝区（LSC）、一个小单拷贝区（SSC）和两个反向重复区（IRs）组成的四联体结构。Anemia质体基因组的长度在158,086 bp到169,497 bp之间变化，基因内容和顺序（除了MORFFOs）在不同物种间保持一致。导致基因组增大的主要原因是大型插入片段，这些片段包含MORFFO基因簇。在大多数物种中，这些MORFFOs位于LSC区域的ndhC和trnV-UAC基因之间的基因间区。但也存在例外，如在A. elegans和A. lanipes中，MORFFOs位于IR区的ycf2和trnN-GUU之间；在A. colimensis中，则位于LSC区的psbE和petL之间。
研究人员在Anemia中至少发现了五种MORFFOs，其中morffo1、morffo2和morffo3与之前在其他蕨类中报道的基因同源。而morffo4和morffo5似乎是卷柏目特有的。值得注意的是，并非所有Anemia物种都含有MORFFOs，在缺少MORFFOs的物种中，相应的基因间区明显更小。此外，一些物种的MORFFO序列包含内部终止密码子，将一个大的开放阅读框分割成多个更小的部分。转录组分析表明，A. phyllitidis的质体编码MORFFOs没有检测到RNA编辑，这与该物种大多数其他质体编码的CDS（80%的基因存在编辑）形成鲜明对比。进一步的密码子使用分析显示，MORFFOs的相对同义密码子使用（RSCU）模式与经典的质体CDS存在显著差异，反而与核基因组编码的基因聚类更近，提示其翻译环境可能不同于典型的质体基因。
系统发育与演化速率分析
基于86个质体蛋白编码基因（CDS）构建的系统发育树，清晰地支持了卷柏目中Anemiaceae、Lygodiaceae和Schizaeaceae三个科的划分。在Anemiaceae内部，系统发育关系与之前基于少数基因的研究基本一致，但获得了更高的分辨率和支持度，特别是在Anemia属内部，揭示了更精细的谱系关系。
对于MORFFOs演化速率的分析得出了令人惊讶的结果。滑动窗口分析和dN/dS比率计算表明，MORFFOs整体上受到纯化选择（dN/dS < 1），其密码子第一、二位点的核苷酸多样性低于第三位点，这与功能基因的特征一致。然而，与经典的质体CDS相比，MORFFOs表现出了极高的核苷酸替代速率，大约是其他质体基因的10到15倍。即使在排除了已假基因化的序列后，这种高替代率依然显著。此外，位于IR区的CDS的替代率通常低于LSC和SSC区的基因，但MORFFOs的高速率不受此规律约束。
MORFFOs的谱系与移动性
对morffo1、morffo2、morffo3、morffo4和morffo5分别构建的基因系统发育树，与基于质体基因组的物种系统发育树存在广泛的、强烈的冲突。MORFFO基因树显示，Anemia的序列并不总是单系群，并且经常与来自其他远缘蕨类谱系（主要是水龙骨目Pteridineae亚目）的MORFFO序列嵌套在一起。
最突出的例子是A. simii。该物种的morffo1、morffo2和morffo3在基因树上并非与Anemia的其他物种聚在一起，而是深嵌套于水龙骨目植物的MORFFO序列之中。同时，A. simii的质体基因组缺少卷柏目特有的morffo4和morffo5。这些证据强烈暗示，A. simii的MORFFOs可能通过水平基因转移（HGT）从水龙骨目植物获得。
另一方面，研究也发现Anemia的morffo1和morffo2似乎被转移到了其他蕨类植物（如Oceaniopteris gibba和Didymochlaena truncatula）的质体基因组中，并且在这些受体的基因组中，这些基因的插入位置和排列方式与在Anemia中不同。更有趣的是，在O. gibba的质体基因组中，这些来自Anemia的MORFFO旁侧，还连接着可能源自另一个蕨科（Desmophlebiaceae）的morffo3基因，形成了嵌合的基因块。
讨论与意义：作为非典型基因的MORFFOs
综合来看，MORFFOs展现出许多不同于经典质体编码基因的特征。首先，它们通常位于保守的操纵子内部（如atpB操纵子），但转录方向却与所在操纵子相反，且远离保守的启动子区域，暗示其转录可能独立于宿主的质体转录机器。其次，它们缺乏蕨类质体基因中常见的RNA编辑。再者，其密码子使用模式更接近核基因而非质体或线粒体基因。这些特征共同表明，MORFFOs的转录和翻译很可能与质体固有的遗传机制解耦，甚至可能发生在质体之外（例如在细胞核中）。
MORFFOs的高替代率、频繁的假基因化、在质体基因组中不稳定的存在状态以及不一致的基因谱系，都指向其具有独立复制和移动的能力。它们不像行使核心质体功能的基因那样必需，其动态的“有或无”状态更类似于自私的或可移动的遗传元件。
水平基因转移（HGT）与基因穿梭
本研究的系统发育证据为MORFFOs通过HGT（及可能的细胞内基因转移IGT）在蕨类植物间、甚至可能在不同细胞器基因组间“穿梭”提供了强有力的支持。不仅发现了从远缘蕨类到Anemia（如A. simii）的潜在HGT事件，也发现了从Anemia到其他蕨类谱系的输出事件。MORFFOs在质体、线粒体甚至细胞核中都可能存在的特性（本研究在A. phyllitidis的转录组中发现了与质体版本不同的MORFFO序列拷贝），使其成为在细胞内不同基因组区间以及不同物种间进行基因流动的理想候选者。
总之，这项研究揭示了MORFFOs是蕨类植物质体基因组中一类独特且动态的遗传元件。它们具有蛋白编码基因的功能约束特征，但在复制速率、基因组位置、谱系历史和表达调控等多个层面都表现出高度的自主性和流动性。频繁的水平基因转移事件是塑造其当前分布和演化历史的关键力量。这些发现不仅挑战了陆地植物质体基因组高度保守的传统观点，也为理解植物细胞器基因组的演化可塑性、自私遗传元件的运作机制以及跨物种、跨细胞器的基因流动开辟了新的研究路径。
