近日，《BMC Biology》期刊在线发表了中国农业大学植物保护学院李志红教授团队题为“Fragmentation in mitochondrial genomes in relation to elevated sequence divergence and extreme rearrangements”的研究论文。该研究探究了书虱属（Liposcelis）线粒体基因组裂化、重排、序列变异之间的关系，并基于新发现的证据分析了线粒体基因组裂化的原因。该研究证明了线粒体基因组裂化与否不能影响线粒体基因重排程度，而认为线粒体基因组裂化是自然选择在线粒体基因组上放松的选择压力的体现，为线粒体基因组裂化和演化提供了新的见解。书虱是重要的仓储害虫，主要通过粮谷贸易及调运等人为途径进行传播扩散，该研究成果将进一步促进仓储害虫入侵机制及防控技术的研究与应用。
真核生物的线粒体基因组通常由单个环状染色构成，包含与氧化磷酸化功能（OXPHOS）相关的蛋白编码基因和转运RNA。已知动物线粒体基因组结构及所包含基因数目是相对稳定的，然而也存在少数例外情况；其中之一则是线粒体基因组的裂化现象，表现为线粒体基因分布于两个或多个染色体微环上；但线粒体基因组裂化的原因及对进化的影响仍待探索。书虱属因其存在线粒体基因组裂化、基因剧烈重排和高序列差异性，成为研究线粒体基因组结构变异的优秀类群。本研究通过测序不同种类、种群的书虱线粒体基因组并结合多种分析手段，对线粒体基因组裂化的起源与内在机制进行了探索。
图1 书虱基因结构变异多样性
通过类群间横向比较分析，该研究发现书虱属线粒体基因组重排程度在所有动物类群中都处于极高水平（图1），且线粒体基因组的重排程度在线粒体基因组裂化与否的类群中无显著差别，说明裂化本身不能影响基因重排程度。基于嗜卷书虱（Liposcelis bostrychophila）线粒体基因组的重测序数据，该研究发现该虫种内线粒体基因组多样性是由重组机制造成的，因而提出了推测：线粒体基因组不同拷贝间的重组及变异积累，导致了线粒体基因组的裂化，与此同时可能导致基因重排程度加剧，序列变异程度提高（图2）。该研究利用昆虫、刺细胞动物、线虫中存在线粒体基因组裂化的类群，分析了基因重排、序列变异、选择压力特征，发现越靠近裂化类群，线粒体基因的重排程度、序列变异程度越高，符合所提出的推测。虽然所有线粒体基因都处于很强的净化选择压力之下，但随着裂化程度的升高，其净化选择压力逐渐减弱，因而，该研究认为线粒体基因组裂化是自然选择在线粒体基因组上逐渐减弱的表现。
图2 书虱线粒体基因组的重组机制
中国农业大学植物保护学院为该论文第一完成单位，冯士骞博士（在站博士后）和澳大利亚莫纳什大学Andrea Pozzi博士为共同第一作者，李志红教授为通讯作者，李志红与澳大利亚莫纳什大学Damian Dowling教授为共同高级作者。此外，澳大利亚阳光海岸大学Renfu Shao博士、捷克作物研究所Vaclav Stejskal 研究员、美国俄克拉荷马州立大学George Opit教授、中国计量大学杨倩倩副教授参与了该研究。该研究得到了国家重点计划政府间科技合作专项、国家自然科学基金课题、国家现代农业产业技术体系、国家建设高水平大学公派研究生项目的支持。
原文链接：https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-01218-7