干巴菌线粒体异质性的发生水平和效应研究

The majority of eukaryotic cells convey their genetic elements of mitochondrial DNA uniparentally. However, we found the first evidence of frequent heteroplasmy and recombination in the mitochondrial genomes in the natural populations of the basidiomycete mushroom Thelephora ganbajun from Yunnan province, China. Furthermore, the same occur in the natural populations of Russula virescens, Cantharellus cibarius complex selected in the same places as T. ganbajun, which contrasts the prevailing view that heteroplasmy, if exists, is only transient in basidiomycete fungi. It is of vital significance to investigate the level, effect and evolutional contributions of mitochondrial recombination in eukaryotic cells. Based on the enlarged field collection, we first aim to detect the hotspots, frequency and scope of the heteroplasmy in natural populations of T. ganbajun from Yunnan, and further describe the structural variance of mitochondrial genome of the biparental inheritance and the evolutional contributions. Secondly, the distribution of heteroplasmic sites and their correlation with segregation of population characters will be studied using population genomic methods, and the results are useful to elucidate the effect of mitochondrial heteroplasmy on genetic diversity and the coevolution with environments. Finally, the point mutation of heteroplasmic sites will be used to exploit the special DNA marker of T. ganbajun, which will construct pioneer example to quick identification, origin and molecular evolution of important basidiomycete mushrooms from Yunnan.

大多数真核生物的线粒体都以公认的单亲方式传递遗传物质。项目组在云南地区干巴菌中发现了首例担子菌自然群体的线粒体异质性，即双亲遗传的证据，且在同地的青头菌、鸡油菌自然群体中也发现了同类证据，否定了担子菌自然群体线粒体异质性仅短暂存在的传统观点，对于探讨真核生物线粒体的遗传方式及其进化具有重要意义。本项目拟在补点采样的基础上，(1)明确干巴菌自然群体线粒体异质性发生的热点、频率和范围，与细胞核中控制生殖交配基因的相互关系，阐述其能够长期维持的基因结构变异基础及其引起的物种进化；(2)采用群体基因组的方法研究线粒体异质性位点在群体的变异分布及与群体性状的关联，阐释线粒体异质性对其自然群体多样性的影响，探索其与环境因素协同演化的历程；(3)在点突变型异质性位点中挖掘可能的干巴菌新型分子标记，为云南具有重要经济价值的担子菌类群的快速鉴定及起源、演化和多样性产生的分子基础提供重要参考。

项目组前期在云南地区干巴菌中发现了首例担子菌自然群体的线粒体异质性现象，即双亲遗传的证据，否定了担子菌自然群体线粒体异质性仅短暂存在的传统观点，对于探讨真核生物线粒体的遗传方式及其进化具有重要意义。本项目以野生食用菌干巴菌为主要研究对象，对真菌自然群体线粒体基因组中的异质性发生的热点、频率和原因，及与核基因的相互关系，对自然群体进化的影响进行深入研究，取得的主要结果如下：（1）干巴菌线粒体基因组中另一个异质性nad5基因也被发现，nad5和cox1基因的异质性均体现在变异丰富的多拷贝，cox1基因两种异质性内含子片段(α和β)的频率和分布模式各不相同，异质性的拷贝数之间变异没有相关性，与核基因ITS序列的变异和地理距离也没有显著的相关性；（2）阐明了来自云南30个地理群体的489个干巴菌样本中核基因ITS和线粒体cox1基因的遗传结构和分化，发现该菌群体内和群体间存在广泛的变异和频繁基因流，核基因变异大于线粒体基因组，线粒体内含子的分布和交配型MAT基因的系统发育关系不密切；（3）干巴菌线粒体中的内含子数量不相同(14-22个/样本)，cox1、nad5、cox3、nad1和cox2中表现出明显的内含子获得或缺失多态性，且核心蛋白编码基因的大小随着内含子的得失而变化，内含子是导致其宿主基因大小变化的主要因素；（4）线粒体基因组外显子的多态性大于内含子的，异质性cox1基因与内含子内部GIY类型的归巢内切酶（HEG）的数量和长度显著相关，异质性基因、内含子和HEG的存在影响着干巴菌线粒体基因的组成和各类基因的进化速率。.综上，本研究揭示了干巴菌物种核基因和线粒体基因存在广泛的多态性和结构变异，及两者之间的内在联系，丰富了对真菌自然群体的线粒体基因组结构、种群动态和进化的理解，为进一步揭示线粒体异质性的进化和效应提供了重要基础。项目执行期间发表SCI论文5篇，获国家发明专利授权1项；项目负责人公派出国交流学习1年，参加国内学术会议和培训5次，培养硕士研究生5名，圆满地完成了项目的既定目标。