线粒体比较基因组揭示两种药用牛蒡差异

牛蒡属桔梗目，菊科二年生草本植物，基生叶宽卵形，主要分布于中国、西欧、克什米尔地区、欧洲等地。牛蒡（Arctium lappa）和毛头牛蒡（A. tomentosum）都是常见的药用植物，以往研究主要通过显微观察和形态学区分这两种植物的差异，毛头牛蒡通常被认为是牛蒡的替代品，这也严重影响了中药的有效性。

而线粒体基因组序列分析对于理解不同植物物种的进化和基因组结构具有重要意义，2020年，凌恩生物合作客户辽宁中医药大学发表了题为“Comparative Analysis of the Mitochondrial Genome Sequences of two MedicinalPlants: Arctium Lappa and A. Tomentosum”的研究论文，文章通过对两种牛蒡的线粒体基因组进行测序，分析了两种牛蒡及三个紧密相关的菊科物种的核心基因和特定基因，同时构建了线粒体基因组的系统发育树。

研究结果

1.两种牛蒡线粒体基因组结构特征

研究使用Illumina和Pacbio两种测序方法对两种牛蒡线粒体基因组进行测序，获得了标准的环形线粒体结构。

牛蒡线粒体基因组大小为312598 bp，GC含量为45.43%，共注释到131个基因，其中98个ORF、6个rRNA和25个tRNA基因。线粒体基因组共有21个内含子，其中位于编码蛋白区域的有9个。

毛头牛蒡线粒体基因组大小为312609 bp，GC含量为45.44%，共注释到130个基因，其中包含97个ORF、6个rRNA和25个tRNA基因。线粒体基因组共有20个内含子，其中位于编码蛋白区域的有8个

2.两种牛蒡SSR分析

SSR是一种基于PCR的高效分子标记技术与其他特征一起已广泛用于物种鉴定和遗传多样性分析。在此分析中，两个SSR之间的最小距离设置为100 bp。A.lappa和A.tomentosum的线粒体基因组的SSR具有完全相同的类型和数量（表1）。其中，单核苷酸A / T类型SSR最多，第二多的是TetraNucl型SSR，最少的SSR类型为Pentanucl。A. lappa线粒体基因组中SSR的总长度为2491 bp，而A. tomentosum中SSR总长度为2489 bp。与其他3种菊科植物的线粒体基因组的SSR相比，可以直观地发现，菊科植物的线粒体基因组SSR类型相似，相同属的SSR类型更相似。

3.两种牛蒡线粒体比较基因组分析

共线性分析结果表明两种牛蒡线粒体基因组具有完全共线性。研究将A. lappa和A. tomentosum与其他三种菊科植物的线粒体基因组进行了比较，结果也显示出非常高的相似性。

有研究表明，植物中存在叶绿体与线粒体间的信息交换和转移，以协调调节细胞的各种生命活动。研究通过对A.lappa和A.tomentosum的叶绿体基因组和线粒体基因组进行研究，发现两种牛蒡均存在基因交换和转移的现象。其中，研究计算出48个相似度不低于80％的转移片段总长度为8229 bp，最短的转移片段长度为45 bp，最长的转移片段长度为2532 bp。

研究对五种菊科植物的线粒体基因组核心基因和特定基因进行分析发现（图5）。这些菊科植物有22个核心基因和117个pan基因，而A. lappa，Helianthus annuus，Chrysanthemum boale，Diplostephium hartwegii和A. tomentosum分别有1、2、0、1和0个特有基因。其中，A. lappa的特有基因为orf115a，Helianthus annuus的特有基因为orf873和rps12，而Diplostephium hartwegii的特有基因为rps19。这些核心基因和特定基因很可能与这五个植物的共性和特征相对应，这可以为研究不同物种之间的功能差异提供基础。

4.系统发育分析

为确定A. lappa和A. tomentosum的进化位置，基于菊科其他属的25种植物和以Ginkgo biloba的外群共28种植物的线粒体基因组，构建了系统进化树（图6）。研究发现A.lappa和A. tomentosum物种紧密聚集在一起成为一个分支，这一结果与早期基于这两个样品的叶绿体DNA的系统发育分析一致。此外，其他密切相关的物种具有相似的进化位置，这些数据将为后续的植物学分类提供一定的帮助。

结  论

研究对两种牛蒡的线粒体基因组进行测序，揭示了两者的线粒体基因组结构差异。这些差异可以为分子标记和遗传多样性分析提供基础。此外，发现两者的线粒体基因组分别与各自的叶绿体基因组发生了基因交换与转移。通过比较基因组的研究结果，发现两种牛蒡的线粒体基因组展示出完全共线性，但它们与同一科不同属的三种植物线粒体基因组有明显不同。

在未来研究中，可以基于牛蒡属植物线粒体基因组特征，寻找植物分子识别的相关基因，用于后续的分子育种研究。