Current Biology | 中山大学周仁超团队揭示全寄生植物盾片蛇菰的线粒体基因组结构、复制机制与转录模式

责编 | 王一

寄生植物通过吸器从寄主植物获得生存所需的营养，是一种具有独特生活习性的植物，该习性在被子植物中独立起源了十二次，产生了4500多种寄生植物。寄生植物通常表现出营养器官退化、叶绿素部分或全部丢失、基因组特化等特征。研究寄生植物的基因组特征有助于我们理解其寄生习性的进化机制。植物细胞内有三大基因组，即核基因组、质体基因组和线粒体基因组。目前寄生植物的基因组研究主要聚焦于质体基因组和核基因组，其质体基因组具有A+T碱基含量升高、基因组缩小、大量光合作用相关基因丢失和假基因化等特征。寄生植物的核基因组则往往表现为基因组变大与基因大量丢失等特征。相比之下，寄生植物的线粒体基因组则少有研究，并且不同的寄生植物的线粒体基因组特征差异甚大。这些特异的变化包括但不限于基因组和基因含量极度缩小，极高的DNA替换速率和大量的水平基因转移，体现了寄生植物线粒体基因组对寄生习性的适应模式与机制的多样性。

蛇菰科全寄生植物盾片蛇菰 （图：Kingchun Tai）

中山大学生命科学学院周仁超团队长期以来研究寄生植物的细胞器基因组进化。近期，该团队与美国内布拉斯加大学的Jeffery P. Mower以及阿根廷库约国立大学的M. Virginia Sanchez-Puerta合作，成功解析了蛇菰科全寄生植物盾片蛇菰 （Rhopalocnemis phalloides） 的线粒体基因组，揭示了其非常特殊的基因组结构、复制机制与转录模式，拓宽了对植物线粒体基因组进化的认识。相关研究成果以The minicircular and extremely heteroplasmic mitogenome of the holoparasitic plant Rhopalocnemis phalloides为题于12月13日发表在Current Biology杂志上。

周仁超团队研究发现，与大多数植物的线粒体基因组不同，盾片蛇菰的线粒体基因组由21个小型的 （4-8 kb） 环状染色体组成，总长仅有130,713 bp，是迄今为止被子植物中线粒体基因组第二小的案例。其线粒体基因的每个顺式剪切的内含子也是所有已报道种子植物和蕨类植物中最短的。本团队进一步利用Southern blot实验验证了本物种线粒体染色体的环形结构，明确确定其复制方式为滚环复制 （rolling circle replication） ，并首次在植物中鉴定到线粒体DNA的复制起点——一段117 bp的回文序列 （图1） 。本物种的每个线粒体染色体都可以划分为四个区域 （图1） ，即由所有染色体共享的保守区 （conserved region，CR） ，CR两侧的由串联重复序列组成的高变区 （hypervariable region，HV） 和与HV相邻的部分染色体之间共享的半保守区 （semi-conserved region，SC） ，以及包含了所有基因的各个染色体的特有区 （unique region，UR） 。其中HV在同一染色体的不同拷贝间也会有很大的差异。有趣的是，这些结构和特征与部分寄生动物的线粒体基因组和少数自养原生生物的质体基因组表现出相似性，表明部分植物和动物中细胞器基因组结构的趋同进化。

图1. 盾片蛇菰线粒体基因组的结构、复制起点和染色体间HV以及SC区域的序列比较

盾片蛇菰的线粒体DNA在个体内拥有极高的异质性 （heteroplasmy） ，这主要表现为UR中丰富的的插入 （insertion） 、缺失 （deletion） 、复杂变异 （complex variant） 和HV中的拷贝数变异。在21个染色体的URs中一共检测到777处异质性变异 （图2） ，包括蛋白编码区的167处。奇怪的是，蛋白编码区的变异绝大多数都会造成非三基数的移码突变，出现提前终止密码子。以atp4基因 （含有3处异质性变异） 为例，100个随机克隆测序检测到了所有的8 （23） 种变异体，其中可翻译为全长蛋白的克隆数仅有21个。本研究基于RNA-seq数据分析表明：所有的异质性变异都被无差别转录，且其频率与在DNA-seq中检测到的频率相当。然而，本物种的CR和质体基因组中均无异质性，这侧面证实了CR的重要功能 （包含复制起点） 和该物种中线粒体基因组的独特特征。另外，本研究未能检测到在线粒体基因组中行使DNA复制、重组和修复的基因中的两个基因 （WHY2和OSB2/3/4） 的表达，这可能是造成盾片蛇菰线粒体DNA极高异质性的原因。

图2. 盾片蛇菰21个线粒体染色体UR中的异质性区域

中山大学的周仁超副教授、美国内布拉斯加大学的Jeffery P. Mower副教授以及阿根廷库约国立大学的M. Virginia Sanchez-Puerta教授为该论文的共同通讯作者。中山大学生命科学学院的17级本科生于润贤为文章的第一作者，19级硕士研究生孙晨雨、19级博士研究生钟燕与刘莹副教授参与了本研究。中山大学为本研究的第一单位。本研究受到了国家自然科学基金项目的支持。

论文链接：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01612-2