随着可用质体基因组数量的增加，研究与加速进化相关的基因组结构进化从而避免崩溃并增加生物多样性变得越来越可能。质体基因组的进化速率相较于核基因组较慢，但在禾本科祖先谱系中却突然出现异常加速，这可能对禾本科物种基因功能、适应性和多样化产生影响，但尚不清楚哪些因素导致了禾本科祖先质体基因组中的突然加速。
Journal of Systematics and Evolution（JSE）2023年第2期发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所武志强研究员团队题为 “Mutational meltdown or controlled chain reaction: The dynamics of rapid plastome evolution in the hyperdiversity of Poaceae” 的研究论文（https://doi.org10.1111/jse.12854）。研究通过对单子叶植物以及近200个禾本科物种质体基因组的比较分析，量化了不同亚科、功能分组和进化时期内的速率异质性模式；通过比较整个禾本科的质体基因组结构差异，建立了基因组大小与不同因素协同进化的联系；通过对稻族物种IR-SC侧翼基因到边界的距离分析，确定了IR-SC在系统发育和追溯母系遗传亲本的价值。
图 1. 基于质体基因组的单子叶类群时间树。红色支系表示谱系多样化的祖先分支，线条宽度正比于绝对进化速率r。红色数字表示进化速率，黑色数字表示分化时间
研究发现与其它单子叶植物相比，禾本科祖先分支在与香蒲科分化后质体基因组同义替代速率经历了异常加速，但在分化为现存谱系后减慢至正常水平。通过对非同义突变率的分析表明选择压力不足以解释这一现象。进一步对禾本科质体基因组结构的分析表明这种快速进化可能与其中的大规模结构变化（如 ycf1 和 ycf2的丢失）相关。
图2. 禾本科中质体基因组大小与各种序列长度之间的线性回归分析
作者详细比较了禾本科的质体基因组与各区间序列成分，发现禾本科质体基因组的大小与基因间区、重复序列、LSC、以及IR区域的总长度呈正相关，其中间区的变化是主要贡献者。
图3. 禾本科和香蒲科IR-SC连接处比较。连接处的侧翼基因与基因边界的距离分别用红色负数和蓝色正数表示
禾本科内质体基因组的大小通常按亚科分支扩大或收缩，但各分区的不同步差异表明IR-SC连接边界在不断进化，而且往往是以牺牲SSC 为代价的。IR-SC连接边界的这种持续进化与整个禾本科的总基因组和各分区大小的变化并不同步，但在更深层级的分类水平上趋于稳定，在稻族物种中甚至具有追溯母系亲本的价值。
武志强研究员长期致力于植物细胞器基因组相关研究，利用组学大数据探索细胞器基因组的变异和突变机理以及细胞核质互作的分子机制，并挖掘以细胞器为基础的光合作用系统转化以提高作物产量。近年来，该课题组在Trends Plant Sci (2024), PNAS (2015, 2020)、Mol Biol Evol (2017, 2024a, b)、Genome Biol Evol (2024)、Hortic Res (2024)、Plant Biotechnol J (2022, 2024) 、Plant J (2022)、 J Syst Evol (2022, 2023, 2024)、BMC Plant Biol (2019, 2023a, b, 2024)、Heredity (2019)、G3 (2020)等期刊连续发文解析植物线粒体基因组变异的复杂性及多样性，对认识和研究生命起源、进化的复杂性和多样性具有重要意义。该课题组聚焦细胞器突变分子机制研究，通过实验证据创造性地证实了MSH1基因具有调控细胞器基因组重组和突变修复的双重功能 (PNAS, 2020)，并进一步构建了MSH1拟南芥突变体的细胞器基因组变异全图谱 (Plant J, 2022)。此外，该课题组在细胞器基因组领域首次开发出应用图形化植物线粒体基因组来评估细胞器结构变异的策略（Brief Bioinform，2023；Hortic Res, 2024）。课题组目前招聘博士后，欢迎对植物进化生物学相关研究感兴趣的青年人才加入，简历发送至邮箱wuzhiqiang@caas.cn。
责编：王率真
Journal of Systematics and Evolution (JSE)是以分类、系统发育和进化为核心内容，以描述和理解生物多样性为服务目标的多学科综合性国际学术期刊，主要发表系统与进化生物学领域的研究成果。JSE是中国科学院期刊分区表生物学大类1区期刊，中国科技期刊国际影响力提升计划项目（2013–2018）和中国科技期刊卓越行动计划项目（2019–2023）支持期刊。最新JCR影响因子3.4，排名60/265，位于Q1区。获第三届、第四届中国科协优秀科技论文奖。2023年连续第十二年荣获“中国最具国际影响力学术期刊”奖。
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