一般認(rèn)為，植物細(xì)胞中的葉綠體和線粒體起源于原始藍(lán)細(xì)菌和ɑ-變形菌，是真核細(xì)胞中擁有少量基因組的半自主性細(xì)胞器。在包括水稻在內(nèi)許多現(xiàn)存的真核生物中發(fā)現(xiàn)線粒體DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）和葉綠體DNA（plastid DNA, ptDNA）向細(xì)胞核基因組的轉(zhuǎn)移，形成了核內(nèi)線粒體DNA（nuclear mitochondrial DNA, NUMT）和核內(nèi)葉綠體DNA（nuclear plastid DNA, NUPT），統(tǒng)稱為核內(nèi)細(xì)胞器DNA（nuclear organelle DNA, NORG）。這種細(xì)胞器DNA向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)移顯著增加了細(xì)胞核基因組的遺傳多樣性，并在生物演化中發(fā)揮了重要作用。

2025年4月25日（DNA日），華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、洪山實(shí)驗(yàn)室水稻研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)在Genome Research發(fā)表了題為Continuous infiltration and evolutionary trajectory of nuclear organelle DNA inOryza的研究論文。該研究以稻屬（Oryza）為研究對(duì)象，通過(guò)泛基因組分析和系統(tǒng)發(fā)育追蹤，系統(tǒng)揭示了核內(nèi)細(xì)胞器DNA（NORG）的插入模式、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及演化規(guī)律，展開(kāi)植物細(xì)胞器DNA核轉(zhuǎn)移機(jī)制研究，為深入理解植物基因組演化提供了新視角。

在本研究中，通過(guò)對(duì)7個(gè)稻屬物種的22個(gè)高質(zhì)量基因組組裝進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)稻屬物種中普遍存在豐富的細(xì)胞器DNA插入事件，其中20,085個(gè)存在于AA基因組中的NORG被歸類為3,406個(gè)同源NORG組（orthologous NORG group, ONG）。每個(gè)基因組中的NORG數(shù)量與染色體大小呈強(qiáng)正相關(guān)，而總長(zhǎng)度與染色體大小的相關(guān)性較弱，其主要為 < 1 kb 的短片段，在染色體中接近均勻分布，且通常不位于基因和外顯子區(qū)域以避免破壞基因功能（圖1）。NORG可以包含單個(gè)細(xì)胞器DNA（orgDNA）片段，也可以由多個(gè)orgDNA構(gòu)成，其中由線粒體DNA和葉綠體DNA共同構(gòu)成的鑲嵌NORG約占11%（圖2）。

圖1. NORG 長(zhǎng)度各異，但在水稻基因組中的數(shù)量和分布相對(duì)恒定。(A-B) NORG的數(shù)量在水稻基因組中相對(duì)恒定，且與染色體長(zhǎng)度正相關(guān)。(C-D) NORG的長(zhǎng)度在水稻基因組中差異較大，與染色體長(zhǎng)度相關(guān)性較弱。(E) NORG主要為1 kb以下的短片段。(F) NORG在染色體上接近均勻分布。

圖2. NORG 類型隨長(zhǎng)度變化，但其比例在水稻基因組中保持一致。(A-E) NORG的5種類型。(F) 不同基因組種NORG類型的比例。(G) NORG的類型隨長(zhǎng)度變化，>1 kb的NORG主要為復(fù)雜NORG。(H) 三種復(fù)雜NORG的細(xì)胞器DNA片段數(shù)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，13%的ONG包含接近完整的細(xì)胞器基因（NIOG），它們可能是演化中功能性基因替代的來(lái)源。在20個(gè)AA基因組中，ONG豐富的存在與不存在變異（presence/absence variation, PAV）表明細(xì)胞器DNA向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)移在持續(xù)進(jìn)行，約每百萬(wàn)年發(fā)生631–944個(gè)插入。越古老的演化分支所共有的ONG越少，這表明NORG在演化過(guò)程中不保守，本研究中發(fā)現(xiàn)的NORG大多數(shù)為AA和BB基因組物種分化后形成（圖3）。

圖3. 稻屬基因組中同源NORG組（ONG）的豐富的存在與不存在變異（PAV）。(A) 5個(gè)AA基因組物種的ONG的PAV信息。(B-C) 亞洲栽培稻和非洲栽培稻/野生稻的ONG存在頻數(shù)。(D) ONG在AA基因組物種中的分布。

進(jìn)一步使用了3,458個(gè)包含亞洲栽培稻（O. sativa）、非洲栽培稻（O. glaberrima）和非洲野生稻（O. barthii）的重測(cè)序樣本，獲得了754個(gè)ONG在亞洲和非洲稻群體水平的分布。ONG的多維尺度分析（MDS）很好地區(qū)分了亞洲和非洲群體、非洲栽培稻和非洲野生稻、亞洲栽培稻的四個(gè)主要群體以及粳稻的三個(gè)亞群體，但對(duì)秈稻群體的區(qū)分效果不佳。進(jìn)一步觀察到ONG的分布具有種群和物種特異性（圖4）。

圖4. ONG的PAV反映了群體結(jié)構(gòu)和亞群體差異。(A-E) ONG PAV多維尺度分析（MDS）能夠區(qū)分亞洲稻和非洲稻不同群體。(F) 754個(gè)ONG在不同亞群體中的存在頻率。

為了探討NORG的形成機(jī)制，作者檢查了828個(gè)多態(tài)性O(shè)NG的NORG插入位點(diǎn)的連接序列。結(jié)果顯示，48%的NORG連接處發(fā)現(xiàn)了微同源序列（≥ 1 bp），其長(zhǎng)度顯著超過(guò)隨機(jī)預(yù)期的長(zhǎng)度。此外，NORG插入位點(diǎn)還發(fā)現(xiàn)了靶位點(diǎn)重復(fù)（TSD）和DNA丟失。大多數(shù)ONG通過(guò)雙鏈斷裂修復(fù)（DSBR）形成，主要機(jī)制是典型的非同源末端連接（c-NHEJ）。基于復(fù)制的機(jī)制（RBM）如復(fù)制叉停滯和模板切換（FoSTeS）、微同源介導(dǎo)的斷裂誘導(dǎo)復(fù)制（MMBIR）貢獻(xiàn)了剩余ONG的形成，導(dǎo)致序列丟失和側(cè)翼序列重復(fù)（TSD），這些現(xiàn)象無(wú)法用雙鏈斷裂修復(fù)機(jī)制解釋。綜上所述，雙鏈斷裂修復(fù)和基于復(fù)制的機(jī)制都可以生成NORG（圖5A-E）。

圖5. 細(xì)胞器DNA插入的特征反映其形成機(jī)制。(A-B) NORG和側(cè)翼序列連接處、NORG插入位點(diǎn)的特征。(C-E) 細(xì)胞器DNA插入的特征示意圖。(F) 第二染色體上相鄰的4個(gè)獨(dú)立NORG插入。

對(duì)復(fù)雜NORG的形成機(jī)制，作者提出了三個(gè)假設(shè)：（1）單次突變事件，涉及在核插入之前或期間將細(xì)胞器DNA片段連接；（2）同一位置的多次插入事件；（3）細(xì)胞器DNA插入后的后插入重排。進(jìn)一步分析顯示，大多數(shù)復(fù)雜NORG是通過(guò)單次突變事件形成的（圖5F）。轉(zhuǎn)座子（TE）的影響導(dǎo)致了NORG的片段化。例如，ONG0400870在AA基因組祖先中是一個(gè)66 kb的線粒體DNA插入，伴隨10 kb以上的染色體DNA序列，這些序列在不同演化分支中經(jīng)歷了獨(dú)立的變化。在亞洲栽培稻、非洲栽培稻和非洲野生稻的共同祖先中，NUMT的中部發(fā)生了一段丟失。在亞洲栽培稻中，NORG內(nèi)部發(fā)生了多次獨(dú)立插入，導(dǎo)致其分散和片段化（圖6）。

圖6. 轉(zhuǎn)座子造成NORG片段化。(A-D) 轉(zhuǎn)座子在不同材料中的獨(dú)立插入造成NORG的動(dòng)態(tài)變化。

綜上所述，該研究在泛基因組水平將NORG分類為ONG，分析了它們?cè)诘緦僦械奶卣骱投鄳B(tài)性。研究結(jié)果揭示NORG在進(jìn)化過(guò)程中的持續(xù)插入和非保守性導(dǎo)致種內(nèi)和種間的變異。細(xì)胞器DNA的轉(zhuǎn)移通過(guò)雙鏈斷裂修復(fù)和基于復(fù)制的模板轉(zhuǎn)換等機(jī)制直接由DNA介導(dǎo)整合到細(xì)胞核中，復(fù)雜的NORG可以通過(guò)單次插入多個(gè)葉綠體或線粒體DNA連接片段的突變事件形成。此外，轉(zhuǎn)座子（TE）在造成NORG片段化的演化過(guò)程中也發(fā)揮了重要的作用。本研究不僅為植物細(xì)胞器DNA向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移的持續(xù)和動(dòng)態(tài)進(jìn)化過(guò)程和機(jī)制提供了新視角，也為基于泛基因組挖掘新型基因進(jìn)行作物改良開(kāi)辟了新思路。

NORG形成和片段化的機(jī)制

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲教授、張建偉教授、林擁軍教授及沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Rod A. Wing教授為論文共同通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)宮晨波博士為論文第一作者。該研究得到農(nóng)業(yè)生物育種國(guó)家科技重大專項(xiàng)、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、國(guó)家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等資助，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物信息計(jì)算平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)分析計(jì)算資源的支持。

https://doi.org/10.1101/gr.279609.124