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寄生植物是通過(guò)特化器官吸器（haustorium）從寄主植物中獲取養分和無(wú)機鹽，這個(gè)習性在被子植物中至少獨立演化了12次。旋花科菟絲子屬(Cuscuta?L.)是全球廣布的寄生植物代表，已記載超過(guò)200個(gè)種。在形態(tài)上，菟絲子屬植物屬于莖寄生，根和葉片已完全退化，光合作用能力非常微弱或者完全失去。菟絲子屬質(zhì)體基因丟失和基因組功能退化已被多次報道，但其基因和基因組功能退化和演化規律尚未明晰。中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“版納植物園”）聯(lián)合國內外合作者選取菟絲子屬23種和旋花科自養類(lèi)群9種開(kāi)展比較基因組學(xué)和分子演化分析，解析菟絲子屬及其旋花科自養植物的質(zhì)體基因組演化規律。

研究結果表明，旋花科植物的質(zhì)體基因組結構變異多樣，其中結構重排有9種類(lèi)型和IR邊界擴張收縮有6種類(lèi)型。比較分析顯示這些結構變異與寄生生活型轉變密切相關(guān)，同時(shí)IR邊界擴張收縮和大重復片段可能加劇了結構變異。菟絲子屬的質(zhì)體基因組退化呈現為漸進(jìn)式，僅Grammica亞屬的Ceratophorae組中三個(gè)種中發(fā)生大量的基因丟失。整體上，菟絲子屬質(zhì)體基因退化過(guò)程可分為五個(gè)階段，即：NAD(P)H復合體→PEP復合體→光合作用相關(guān)基因→核糖體蛋白亞基基因→ATP合酶復合體。因此，旋花科菟絲子屬的寄生習性促使質(zhì)體基因受到了放松的選擇約束，大量質(zhì)體基因的微變異累積使得質(zhì)體基因組發(fā)生了退化。該研究為理解寄生植物的質(zhì)體基因組分子演化和結構變異提供了新證據。

該研究成果以Variations and reduction of plastome are associated with the evolution of parasitism in Convolvulaceae為題2024年4月15日發(fā)表在Plant Molecular Biology上。版納植物園2018級碩士研究生陳麗瓊為第一作者（已畢業(yè)，現為研究實(shí)習員），郁文彬研究員為通訊作者，姚昕博士和碩士研究生李鑫（已畢業(yè)，現為奈良科技大學(xué)博士研究生）、昆明植物所李德銖研究員，西弗吉尼亞大學(xué)Craig Barrett教授以及美國賓州州立大學(xué)Claude W. dePamphilis教授參與了該研究。研究得到了云南省重大項目、國家自然科學(xué)基金、科技部基礎專(zhuān)項等項目支持。

圖1 菟絲子屬的生境及形態(tài)特征(圖為大花菟絲子Cuscuta reflexa?Roxb.)

圖2. 旋花科的質(zhì)體基因組結構變異和基因退化(A)為旋花科的質(zhì)體基因退化的祖先性狀重建圖；(B)為旋花科質(zhì)體基因組結構變異類(lèi)型圖；(C)為旋花科質(zhì)體基因組結構變異的祖先性狀重建圖。