兰科天麻属植物线粒体基因组进化生物学研究

Mitochondria are energy-producing organelles in eukaryotic cells and have their own genetic system that makes them semi-autonomous. Plant mitochondrial genomes (mitogenomes) have remarkable features that distinguish them from their animal and fungal counterparts. In particular, mitogenomes of higher plants are highly variable in size, structural organization and rate of substitution. .. Gastrodia (Orchidaceae) are mycoheterotrophic plants. Our primary results indicated that mitogenomes of Gastrodia are multichromosomal and possess nearly intact set of mitochondrial protein genes, however, they have been lost 85% of all of their tRNA genes. The mitogenomes are very large in some species but are highly variable in size within genus. Moreover, mitochondrial genes displayed dramatically accelerated substitution rates. Using ten species of Gastrodia and nine autotrophic species of Orchidaceae, we aim to illustrate the evolutionary biology of mitogenomes of Gastrodia, including structure, size, RNA editing, substitution rate and coevolution between mitogenome and nuclear genome.

线粒体是真核生物细胞内半自主性的细胞器，具有自己的基因组，为生命活动提供主要的能量，同时具有其他重要的功能。与动物和菌类相比，植物线粒体基因组比较复杂，尤其是高等植物的线粒体基因组在大小、结构、编码基因位点变异速率等方面差异比较大，是进化生物学研究的难点之一。. 兰科天麻属植物全部为菌类寄生植物。我们的初步研究结果表明，天麻属植物的线粒体基因组比较特殊：为多染色体结构， 部分物种基因组比较大，但属内物种间基因组大小变化比较大，蛋白编码基因比较全，但丢失了约85%的tRNA基因， 编码基因位点变异速率急剧提升。本项目计划在前期工作的基础上，以10种天麻属植物和9种自养的兰科植物为研究对象，开展天麻属植物线粒体基因组进化生物学研究，了解线粒体基因组大小、结构、基因组分等特性，开展基因位点变化速率和RNA编辑研究，深入探讨线粒体基因组与核基因组的协同进化。

背景: 植物线粒体基因组，尤其是寄生植物的粒线体基因组在结构上动态变化，大小上存在数量级的变化。了解植物线粒体基因组结构、进化模式和机制是进化生物学的一个巨大挑战。我们通过高通两测序，结合长和短的测序片段，开展了11种兰科天麻属植物线粒体基因组组装和分析。同时，我们组装的3种自养的兰科植物的线粒体基因组，以便在进化框架化进行比较分析。 .结果：天麻属植物的线粒体基因组比较独特：可能由线形和环状染色体共同组成，包括38个蛋白编码基因、rps3基因具有一个新近演化的内含子2，序列具有较高的碱基变化速率，早期分支基因组大但计化速率慢。与大部分自养植物相比，天麻属线粒体基因组基因具有较高的进化速率，但大部分基因仍然处于负选择。rps3基因的内含子2是第一次在被子植物中发现，是在天麻属植物单独演化出来。约一半的RNA编辑位点位于第一位密码子，这与大部分被子植物的线粒体基因组不同。.结论: 天麻属植物线粒体基因组具有独特演化机制。我们的研究结果表明，天麻属植物是研究菌类寄生植物线粒体基因组进化的理想材料，有可能成为研究模式材料。