论植物线粒体基因组的复杂性

植物线粒体（pMtDNA）复杂性概况

1. 相比于动物线粒体基因组的大小（10-20k），已知的pMtDNA大小变异非常剧烈，从190k-11Mb不等

2. 重复序列变异范围大，大片段结构变异很常见

3. pMtDNA中基因的SNP同义突变率很低，显著低于动物线粒体与核基因

4. 越来越多的证据表明：开花植物的pMtDNA并不一定是环状，而是以线性状态或者多种形式共存于细胞中，而且不同生长时期还能相互转变

5. 除了参与能量代谢，pMtDNA经常性与植物育性相关

6. 编码基因非常保守：24个核心保守基因+17个变异基因，但是保守基因的order可不保守哦，嘻嘻~

7. 经常可以注释到大量novel genes，部分基因的功能非常重要，影响植物生育周期与育性

——真实pMtDNA六大物理形态

（A）线性分支状

相互缠绕在一起的线性分子，在一侧会出现聚集，无法确定序列是否连接在一起

（B）简单环状

最为常见、易于理解的pMtDNA状态，也是最容易组装获得完成图的形态

（C）简单线性

线性分子，且无聚集现象，相对容易组装与分析

（D）降解状

分子无明确形态，类似降解的DNA，分析几乎无解

（E）彗星状

具有一个明显的分子聚集点，少量的线性分析与其连接

（F）环状分枝状

线性的分子相互缠绕，形成多个环状结构

以生菜线粒体为例，检测近100张电镜图后，对各类形态进行了统计，发现A类最多。

笔者以前一直认为B类应该最多，不清楚该结论是否具有普适性，生物学处处让人意外啊！

有点晕，很复杂？来个更加复杂的！

以下不同isoform都来自于同一个样本的pMtDNA哦！

（1）DR重组

同向重复序列（Direct Repeats）R和T元件之间发生重组，形成两种类型的isoforms

（2）IR重组

反向重复序列（Inverted Repeats）两个T元件之间发生重组，形成两种类型的isoforms

（3）重复序列重组

在短重复序列元件之间发生重组，一般中间的元件全部发生倒位

还没有结束哦

3、pMtDNA多isoforms共存性

从pMtDNA六大物理特性的角度观察，isoforms在同一物种中可能存在多种情况（想想比例最高的A线性分支状分子吧）

如下是生菜样品pMtDNA的三种isoforms，其中中间形态比例最多，如果组装方法合理，那么该形态会被当作完成图序列。

而上下两种isoforms可能会丢失，但是在基因组共线性分析时可能会找到重组的线索（MW、WNZ和KNZ元件）。

4、

三代与三维基因组技术待完善

如果pMtDNA的分子形态只有B或者C，那么PacBio和Nanopore就能解决几乎所有pMtDNA的组装问题，然而现实是残酷的

　　首先我们看PacBio数据在pMtDNA分子上的深度分布：对于完成图比较了解的研究人员都应该清楚，组装质量比较高的完成图用NGS或者PacBio去进行序列深度、覆盖度统计时，整个基因组上的深度应该比较均匀，但是从下图我们可以看到，由于重组事件的发生，不同元件上PacBio Reads的分布呈现明显的波动。这个波动不仅影响序列组装，另一方面也会影响连接关系的确认。

我们再看国际知名三维基因组测序公司DoveTail的Hi-C技术在pMtDNA上面的应用：相比于传统Mate Pair文库（在PacBio、Nanopore技术横行的今天，MP文库已经几乎进入历史的教科书中），Hi-C在进行连接关系的确认时，也只能将高丰度的分子元件进行连接，对于多种isoforms的情况也暂时无能为力。

1. pMtDNA分子非常复杂，做好研究的心理准备

2. 随着三代与三维基因组技术的发展，未来必然能把各种isoforms全部获取，笔者非常有信心

3. 针对pMtDNA的深入研究，可以为研究植物基因组进化与基因组片段重组提供模型支持，加深人们对于植物重复序列元件的认识与理解