OPR 深圳基因组研究所武志强教授团队综述植物细胞器基因组

2024年1月，中国农科院深圳基因组研究所武志强教授团队综述了植物细胞器基因组研究进展，文章发表在Trends in Plant Science，题为：Plant organellar genomes: much done, much more to do

质体和线粒体是唯一具有内共生起源基因组的细胞器。近几十年来，测序技术的进步导致已发表的细胞器基因组数量迅速增加，并揭示了截然不同的进化轨迹。在这篇综述中，量化了测序植物细胞器基因组在植物生命树中的丰度和分布。比较了两个细胞器基因组之间的许多基因组特征，重点是进化轨迹、转移、转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）、转录激活因子样效应子（TALE） 介导的脱氨酶和CRISPR/Cas 的细胞器基因组编辑的当前状态，以及遗传转化。最后，提出了未来的研究，以了解这些不同的进化轨迹，以及基因组编辑策略，促进功能研究并最终改善细胞器基因组。

主要内容

1. 已发表植物细胞器基因组的测序情况

与中位值大小为 575.5 Mb的大型核基因组相比，大多数质粒体和植物有丝分裂基因组要小得多。质粒的长度通常为 115-165 Kb，而植物有丝分裂基因组的长度则相差 200 倍。与许多已测序的完整质粒组相比，只有少数植物有丝分裂原基因组已完全测序。在 NCBI 数据库中，完整的质粒体数量接近 13000 个，而完整的植物有丝分裂基因组只有 673 个，只有 285 个物种的两个细胞器基因组都被测序。在过去十年中，完整质粒组的急剧增加分为三个阶段，这主要是由于测序和组装方法的改进，特别是NGS技术的改进（图 1A）。尽管如此，植物有丝分裂基因组的完成却严重滞后（图 1B）。

2. 细胞器基因组的内共生起源

植物有丝分裂基因组和质粒体的真核内共生起源和维持的核心基因。

3. 植物细胞器基因组的突变和结构变异

根据 Smith 修改的不同品系（A）质粒体和（B）有丝分裂原体的序列突变率。(C）示意图显示了在从头组装过程中倒位重复序列（IRs）可能介导的质体构型转换。(D) 一些植物的非常规质体构型。(E) 显示在从头组装过程中由频繁重复序列介导的植物有丝分裂基因组构型。(F）植物有丝分裂基因组构型模型。(G) 三维基因组结构对蛋白质结合的影响示意图。结合位点用橙色表示。

4. 细胞器基因组编辑技术

细胞器基因组中的序列突变和结构变异会影响基因功能，尤其是在植物有丝分裂基因组中，频繁的重组会产生与细胞质雄性不育（CMS）和其他未知功能相关的嵌合 ORF。要准确调查以前未描述的功能和非编码区，就必须进行细胞器基因组编辑，这将有助于阐明基因和基因间区的功能。目前，有几种编辑技术（下图）显示出细胞器基因组编辑的巨大潜力。

5. 泛三维细胞器基因组

基因组的三维结构在维持基因组稳定性和基因表达方面起着重要作用。大多数细胞器基因组的基因含量相似，但不同组织和发育阶段、物种内部和物种之间细胞器基因组的序列组成和结构变异存在巨大差异，这些变异往往与适应能力有关。泛器官基因组可用于从细胞质供体的角度研究作物驯化的历史，然后应用于作物改良。此外，三维基因组学旨在考虑基因组序列、基因结构和调控元件的三维空间结构，以及这种空间组织如何影响各种生物过程中的基因复制、转录、修复和调控，在核基因组研究中得到了广泛应用。泛三维细胞器基因组是下一步研究组织、发育阶段、个体和物种之间微进化的关键。

泛细胞器基因组（上图）旨在重新评估不同个体、组织、发育阶段以及细胞间和分子内群体的异质性和遗传性。非编码区（右）参与了多种细胞器生物遗传过程。结构变异（底部）易受参与基因重组、修复和复制的核编码细胞器靶向蛋白的影响。细胞器基因组编辑（左）是通过调节光合作用、呼吸作用和氧化磷酸化以及其他目前未知的功能片段来提高作物产量的一种有前途的策略。

关于 Ornamental Plant Research

Ornamental Plant Research 是一本开放获取的期刊，致力于传播观赏植物领域的最新研究进展，专注于发表本领域原创研究文章、综述、评论、观点以及应用性论文。期刊主编由美国佛罗里达大学食品与农业科学学院陈建军教授担任。目前期刊已被Scopus、CABI等数据库收录。

期刊官网：

www.maxapress.com/opr

投稿链接：

mc03.manuscriptcentral.com/ornpr

关注园艺植物研究

园艺植物研究公众号专注于园艺植物（果树、蔬菜、观赏植物、饮料植物等）领域的最新研究进展，点击下方名片关注园艺植物研究！