近日，《BMC Biology》期刊在線發表了中國農業大學植物保護學院李志紅教授團隊題為“Fragmentation in mitochondrial genomes in relation to elevated sequence divergence and extreme rearrangements”的研究論文。該研究探究了書虱屬（Liposcelis）線粒體基因組裂化、重排、序列變異之間的關系，并基于新發現的證據分析了線粒體基因組裂化的原因。該研究證明了線粒體基因組裂化與否不能影響線粒體基因重排程度，而認為線粒體基因組裂化是自然選擇在線粒體基因組上放松的選擇壓力的體現，為線粒體基因組裂化和演化提供了新的見解。書虱是重要的倉儲害蟲，主要通過糧谷貿易及調運等人為途徑進行傳播擴散，該研究成果將進一步促進倉儲害蟲入侵機制及防控技術的研究與應用。

真核生物的線粒體基因組通常由單個環狀染色構成，包含與氧化磷酸化功能（OXPHOS）相關的蛋白編碼基因和轉運RNA。已知動物線粒體基因組結構及所包含基因數目是相對穩定的，然而也存在少數例外情況；其中之一則是線粒體基因組的裂化現象，表現為線粒體基因分布于兩個或多個染色體微環上；但線粒體基因組裂化的原因及對進化的影響仍待探索。書虱屬因其存在線粒體基因組裂化、基因劇烈重排和高序列差異性，成為研究線粒體基因組結構變異的優秀類群。本研究通過測序不同種類、種群的書虱線粒體基因組并結合多種分析手段，對線粒體基因組裂化的起源與內在機制進行了探索。

圖1 書虱基因結構變異多樣性

通過類群間橫向比較分析，該研究發現書虱屬線粒體基因組重排程度在所有動物類群中都處于極高水平（圖1），且線粒體基因組的重排程度在線粒體基因組裂化與否的類群中無顯著差別，說明裂化本身不能影響基因重排程度。基于嗜卷書虱（Liposcelis bostrychophila）線粒體基因組的重測序數據，該研究發現該蟲種內線粒體基因組多樣性是由重組機制造成的，因而提出了推測：線粒體基因組不同拷貝間的重組及變異積累，導致了線粒體基因組的裂化，與此同時可能導致基因重排程度加劇，序列變異程度提高（圖2）。該研究利用昆蟲、刺細胞動物、線蟲中存在線粒體基因組裂化的類群，分析了基因重排、序列變異、選擇壓力特征，發現越靠近裂化類群，線粒體基因的重排程度、序列變異程度越高，符合所提出的推測。雖然所有線粒體基因都處于很強的凈化選擇壓力之下，但隨著裂化程度的升高，其凈化選擇壓力逐漸減弱，因而，該研究認為線粒體基因組裂化是自然選擇在線粒體基因組上逐漸減弱的表現。

圖2 書虱線粒體基因組的重組機制

中國農業大學植物保護學院為該論文第一完成單位，馮士騫博士（在站博士后）和澳大利亞莫納什大學Andrea Pozzi博士為共同第一作者，李志紅教授為通訊作者，李志紅與澳大利亞莫納什大學Damian Dowling教授為共同高級作者。此外，澳大利亞陽光海岸大學Renfu Shao博士、捷克作物研究所Vaclav Stejskal 研究員、美國俄克拉荷馬州立大學George Opit教授、中國計量大學楊倩倩副教授參與了該研究。該研究得到了國家重點計劃政府間科技合作專項、國家自然科學基金課題、國家現代農業產業技術體系、國家建設高水平大學公派研究生項目的支持。

原文鏈接：https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-01218-7