一文看够，植物线粒体基因组分析套路

线粒体堪称生命活动的“能量供给站”，植物线粒体是线粒体基因组研究中难度最高的，其基因组大小差异较大，100kb-10Mb，大部分由非编码DNA序列组成，且有许多同源序列，占基因组总长的2%-60%，基因间区大，组装和注释的难度较高，结构变异大。目前报道的植物线粒体基因组绝大多数以环形表示，其包含了所代表物种线粒体的所有遗传信息，被定义为主环。

接下来小编总结了近期凌恩生物参与的植物线粒体基因组高分项目文章，为大家带来最新植物线粒体基因组研究动态。

01、花园芦笋（Asparagus officinalis L.）线粒体基因组在整个测序数据中显示出丰富的变异

• 文献标题：The garden asparagus(Asparagus officinalis L.)mitochondrial genome revealed rich sequence variation throughout whole sequencing data

• 发表期刊：Frontiers in Plant Science

• 影响因子：5.6

• 文章链接：DOI：10.3389/fpls.2023.1140043

研究背景

芦笋（Asparagus officinalis L.）作为一种营养成分和医疗价值都很高的观赏园艺植物，常被用于众多科学研究之中，涵盖性别决定机制、染色体演化以及性别多样性的研究领域。

研究方法

• 实验材料：芦笋（Asparagus officinalis L.）幼嫩的不定根

• 测序技术：Illumina+PacBio测序

• 研究内容：芦笋线粒体基因组组装图谱、SSR重复序列分析、Ka/Ks分析、进化树分析

主要结果

研究得到芦笋的线粒体基因组，全长492,062bp，GC值为45.9%。位于氨基酸中的编辑位点的密码子呈亮氨酸形成趋势，而RNA编辑位点主要导致具有相同性质的氨基酸相互转化。注释了36个蛋白质编码基因，17个tRNA和6个rRNA基因，其中8个蛋白质编码基因包含16个内含子。此外，还鉴定了具有10个完整串联重复和293个非串联重复的254个SSR。系统发育树分析结果表明，芦笋与洋葱（Allium cepa）的亲缘关系最为密切。

02、甘蓝C5型细胞质雄性不育的线粒体基因组测序及候选基因鉴定

• 文献标题：Complete mitochondrial genome sequencing and identification of candidate genes responsible for C5-type cytoplasmic male sterility in cabbage (B. oleracea var. capitata)

• 发表期刊：Frontiers in Plant Science

• 影响因子：5.6

• 文章链接：DOI：10.3389/fpls.2022.1019513

研究背景

细胞质雄性不育（CMS）是广泛应用于十字花科蔬菜杂交育种。C5型白菜系具有稳定的雄性不育性，对白菜育种具有重要价值。

研究方法

• 实验材料：C5型细胞质雄性不育系甘蓝

• 测序技术：Illumina+PacBio测序

• 研究内容：甘蓝线粒体基因组组装图谱、基因预测和功能注释、共线性分析、ATP含量及合酶活性测定、酵母双杂交实验（Y2H）、CMS相关的F1Fo-ATP合酶候选ORFs和亚基基因的克隆、系统发育分析等。

主要结果

本研究组装得到了甘蓝线粒体基因组，基因组大小为221,862 bp。比较基因组分析结果表明，该线粒体基因组可能由nap型CMS甘蓝植株重组产生的。确定了67个未知功能的开放阅读框（ORF）。这些候选CMS基因的存在通过影响能量代谢相关基因的转录水平和F1F0-ATP合酶组装来降低ATP酶活性和ATP含量。酵母双杂交试验表明，ORF222a蛋白在F0型ATP合酶组装过程中与B. oleracea ATP17同系物（Bo7g114140）相互作用，降低了组装的F1F0-ATP合酶的数量和活性。细胞学切片显示，绒毡层与结缔组织的过早分离和延迟的绒毡层程序性细胞死亡（PCD）可能是C5型CMS卷心菜品系中CMS的直接原因。

03、线粒体基因组的比较分析揭示了海草对海洋环境的适应能力

• 文献标题：Comparative analysis ofmitochondrial genomes reveals marine adaptation in seagrasses

• 发表期刊：BMC Genomics

• 影响因子：4.547

• 文献链接：DOI：10.1186/s12864-022-09046-x

研究背景

海草是由陆生植物进化而来的高级海洋植物，但在单子叶植物的早期进化过程中，通过几个独立的谱系回归海洋。因此，它们成为研究植物对海洋环境适应的良好模型。对海草线粒体基因组进行测序对于了解海草的进化特征至关重要。

研究方法

• 实验材料：两种濒危海草（Zostera japonica和Phyllospadix iwatensis）

• 测序技术：Illumina+PacBio测序

• 研究内容：海草线粒体基因组组装图谱、基因预测和功能注释、密码子分析、重复序列分析、系统发育树分析和选择压力分析

主要结果

本研究对Z. japonica和P. iwatensis的mt基因组进行了组装和注释，并对注释基因的DNA序列和氨基酸序列进行了广泛分析。三种海草的mt基因组均小于其他单子叶植物。重复序列分析表明，海草mt基因组中含有大量的重复序列，其中31-40bp的重复序列是最丰富的长重复序列。研究还发现，海草物种在进化过程中丢失了大量的核糖体蛋白基因，除了它的rps7基因和rpl16基因。最后，在海草中鉴定出了可能与它们对海洋环境的适应有关的5个正选择基因。

04、棉花线粒体嵌合基因orf610a通过扰乱ATP合成和ROS爆发的动态平衡导致雄性不育

文献标题：The cotton mitochondrial chimeric gene orf610a causes male sterility by disturbing the dynamic balance of ATP synthesis and ROS burst

发表期刊：The Crop Journal

影响因子：4.407

文献链接：DOI：10.1016/j.cj.2022.02.008

研究背景

细胞质雄性不育（CMS）是一种主要由线粒体基因控制、并可被核恢复基因恢复的母系遗传性状。在棉花中，尽管CMS基因作为一种纤维和油料作物具有重要的经济意义，但其如何诱导雄性不育以及CMS诱导是否涉及CMS蛋白与核编码mt因子的相互作用尚不清楚。

研究方法

• 实验材料：哈克尼西棉（G. harknessii）不育系（CMS-D2）ZBA

• 测序技术：Illumina+PacBio测序

• 研究内容：棉花线粒体基因组图谱、RT-PCR、qRT-PCR、酵母异位表达、生化分析、拟南芥过表达和酵母双杂交（Y2H）分析

主要结果

本研究通过棉花不育系（CMS-D2）线粒体基因组de novo组装以及基因组结果分析，鉴定到一个在不育系中特有的嵌合基因orf610a。RT-PCR和qRT-PCR分析结果表明，orf610a在不育系中特异性高表达。orf610a在酵母菌中的异位表达导致菌体中ROS过度积累和ATP含量降低，并抑制酵母菌的生长。此外，研究证实了核编码的RD22蛋白与不育基因编码蛋白ORF610a（跨膜结构域）存在互作，可能破坏细胞内ATP合成与ROS产生的动态平衡，过早启动细胞程序性死亡过程，从而导致花粉败育。

05、芹菜线粒体基因组序列细胞以及鉴定芹菜细胞质雄性不育候选基

文献标题：Complete Mitochondrial Genome Sequence and Identification of a Candidate Gene Responsible for Cytoplasmic Male Sterility in Celery (Apium graveolens L.)

发表期刊：International Journal of Molecular Sciences

影响因子：4.183

文献链接：DOI：10.3390/ijms22168584

研究背景

芹菜（芹菜属）是世界上重要的叶状蔬菜。芹菜中F1代的发育高度依赖于细胞质雄性不育（CMS）。由于芹菜小花多，雄雌花成熟阶段不一致，人工去除芹菜极其困难。使用雄性不育系可以避免去雄，这可以显著降低芹菜商业杂交制种的成本。

研究方法

• 实验材料：芹菜CMS系W99A及其保持系W99B

• 测序技术：Illumina+PacBio测序

• 研究内容：芹菜线粒体基因组组装图谱、基因预测和功能注释、结构变异分析、RT-PCR

主要结果

本研究对芹菜CMS系W99A及其保持系W99B的完整线粒体基因组序列进行测序和组装，比较分析结果表明，芹菜不育系中有21个独特区域，这些独特区域包含15个ORFs。在这些ORFs中，只有orf768a是嵌合基因，由cox1基因的1497bp序列和位于独特区域的810bp未识别序列组成，预测的orf768a蛋白产物具有11个跨膜结构域。这项研究的结果表明orf768a可能是芹菜中CMS诱导的有力候选基因。此外，orf768a可以作为共分离标记，用于筛选芹菜中的CMS。

06、甘蓝线粒体基因组和转录组为细胞质雄性不育机制提供见解

文献标题：Genome-wide analysis of mRNA and lncRNA expression and mitochondrial genome sequencing provide insights into the mechanisms underlying a novel cytoplasmic male sterility

system, BVRC‑CMS96, in Brassica rapa

发表期刊：Theoretical and Applied Genetics

影响因子：4.439

文献链接：DOI：10.1007/s00122-020-03587-z

研究背景

细胞质雄性不育（CMS）被广泛用于生产多种作物的F1杂交种子。然而，它尚未成功地应用于甘蓝中。为了更好地了解甘蓝的BVRC-CMS96 CMS系统，需要获得完整的线粒体基因组序列。

研究方法

• 实验材料：甘蓝CMS系BVRC-CMS96和保持系18BCM

• 测序技术：Illumina+PacBio测序

• 研究结果：甘蓝线粒体基因组组装图谱、基因预测和功能注释、共线性分析、转录组分析、qRT-PCR

主要结果

本研究对甘蓝CMS系BVRC-CMS96和保持系18BCM线粒体基因组进行了测序。基因组分析显示BVRC-CMS96和18BCM与其他已知CMS系统之间存在同线性块和不同结构。研究分析了orf222、orf138、orf261b和线粒体能量基因（atp6、atp9和cox1）在花芽发育阶段S1-S5和四个花器官中的表达。orf138和orf222均在S4、S5期芽、花萼和雄蕊中高表达。RNA-seq鉴定了差异表达的mRNA和lncRNA，它们在花粉壁组装、花粉发育和花粉外衣中显著富集。研究结果表明，由orf222/orf138/orf261b引起的能量供应障碍可能会抑制一系列核花粉发育相关基因。

参考文献

1.The garden asparagus (Asparagus officinalis L.) mitochondrial genome revealed rich sequence variation throughout whole sequencing data. Front. Plant Sci. 2023. doi: 10.3389/fpls.2023.1140043

2.Complete Mitochondrial Genome Sequencing and Identification of Candidate Genes Responsible for C5-Type Cytoplasmic Male Sterility in Cabbage (B.oleracea var. capitata). Front. Plant Sci, 2022. doi: 10.3389/fpls.2022.1019513

3.Comparative analysis of mitochondrial genomes reveals marine adaptation in seagrasses. BMC Genomics, 2022. doi: 10.1186/s12864-022-09046-x

4.The cotton mitochondrial chimeric gene orf610a causes male sterility by disturbing the dynamic balance of ATP synthesis and ROS burst. The Crop Journal, 2022. doi: 10.1016/j.cj.2022.02.008

5.Complete Mitochondrial Genome Sequence and Identification of a Candidate Gene Responsible for Cytoplasmic Male Sterility in Celery (Apium graveolens L.). Int. J. Mol. Sci. 2021. doi: 10.3390/ijms22168584

6.Genome‑wide analysis of mRNA and lncRNA expression and mitochondrial genome sequencing provide insights into the mechanisms underlying a novel cytoplasmic male sterility system, BVRC‑CMS96, in Brassica rapa. Theoretical and Applied Genetics, doi: 10.1007/s00122-020-03587-z