摘要
植物线粒体基因组因其大小、基因和内含子数目、外源序列的含量等方面存在巨大差异而备受关注，但以往的研究多集中在被子植物和基部陆地植物。作为被子植物的姐妹群，现存裸子植物虽然只有1000多个物种，却代表了种子植物六大支系中的五支。然而，到目前为止，仅有少数几种裸子植物的线粒体基因组被测序，同时其中一个重要的支系——ConiferⅡ尚没有线粒体基因组被报道。因而，裸子植物线粒体基因组的进化模式仍缺乏深入研究。本研究结合二代Illumina和单分子测序技术(Oxford Nanopore Technologies)，通过两种不同的组装策略完成了ConiferⅡ支系代表类群——东北红豆杉（Taxus cuspidata）线粒体基因组的组装。结合已发表的裸子植物其它支系的线粒体基因组数据，厘清了裸子植物线粒体基因组在大小、基因和内含子组成、RNA编辑等方面的进化历史。同时，利用二代测序技术，对裸子植物所有13个科的代表性物种的基因组和转录组进行测序，研究了裸子植物线粒体基因组成和线粒体丢失基因的进化命运，并结合已发表的陆地植物的线粒体基因组数据，探讨了影响陆地植物线粒体基因组成差异的因素。 我们选择栽培在北京植物园的东北红豆杉个体进行取样，采用蔗糖梯度离心法富集和提取线粒体DNA，构建二代和单分子测序文库，然后分别进行测序。本研究采用质控后的数据直接拼接和先提取质控后的数据中的线粒体数据再拼接两种策略对线粒体基因组进行组装，得到了东北红豆杉完整的线粒体基因组。东北红豆杉的线粒体基因组是一个典型的环状分子，其大小为468，924bp，编码46个基因（包括32个蛋白质编码基因，10个tRNA基因和3个rRNA基因）。与已发表的裸子植物线粒体基因组进行比较分析发现:(1)东北红豆杉和百岁兰的线粒体基因组丢失多个蛋白质编码基因，而台东苏铁、银杏和火炬松的线粒体基因组编码完整的蛋白质编码基因;(2)裸子植物的一些支系丢失多个tRNA基因和内含子，与被子植物的模式一致;(3)东北红豆杉和百岁兰的线粒体基因组中RNA编辑位点大量丢失，可能与两个类群中内含子和基因的频繁丢失相关。该研究揭示了裸子植物线粒体基因组的大小、结构、基因和内含子组成、外源序列以及进化速率等方面的多样性。 我们对裸子植物所有13个科的代表性物种（共计19属19种）的线粒体基因组的研究表明:(1)苏铁类、银杏和松科植物的线粒体基因组拥有全部41个蛋白质编码基因，而ConiferⅡ和倪藤类植物的线粒体基因组丢失了多个基因;(2)在ConiferⅡ中，线粒体基因的转移很频繁但很少丢失，而倪藤类线粒体基因的转移和丢失同样频繁;(3)虽然在ConiferⅡ和倪藤类植物中有五个相同的基因转移到核基因组，但是根据系统发育分析、祖先性状重建以及内含子的相位等证据，上述基因分别在ConiferⅡ和倪藤类的祖先中发生了转移;(4)根据转移基因RNA编辑位点的状态及内含子数目和相位的差异，推测ConiferⅡ和倪藤类植物的线粒体基因可能通过两步转移机制进行转移，即反转录转座和后续DNA介导的基因转移。在此基础上，结合已发表的陆地植物的线粒体基因组进行综合分析，发现基因长度、GC含量、疏水性和核苷酸替代速率可能与陆地植物线粒体基因组的基因组成差异相关。
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