櫟屬(Quercus)是殼斗科中物種最為豐富的類群，廣泛分布于北半球溫帶與亞熱帶地區(qū)，在森林生態(tài)系統(tǒng)中具有重要地位。目前，核基因組和葉綠體基因組研究已積累了豐富的成果;然而，櫟屬線粒體基因組研究明顯滯后，尤其是櫟屬青岡櫟組(Quercussection Cyclobalanopsis)的線粒體基因組尚未見相關報道。針對這一問題，研究團隊近期成功組裝并注釋了赤皮青岡(Quercus gilva)和木姜葉青岡(Quercus litseoides)的線粒體基因組，不僅填補了櫟屬青岡櫟組線粒體基因組的空白，也展示了該類群在線粒體基因組結構多樣性、重排機制和進化模式上的特征。

赤皮青岡的線粒體基因組由三個環(huán)狀分子和一個線性分子組成，總長度達490,015 bp(圖1);木姜葉青岡的線粒體基因組則由兩個環(huán)狀分子和一個線性分子組成，總長度為516,686 bp(圖2)。兩個線粒體基因組均完整注釋出24個核心蛋白編碼基因和13個非核心蛋白編碼基因，并檢測到豐富的重復序列、顯著的密碼子偏好性以及廣泛存在的RNA編輯事件。

圖1. 赤皮青岡線粒體基因組譜圖

圖2. 木姜葉青岡線粒體基因組譜圖

研究還揭示了線粒體基因組與葉綠體及核基因組之間的DNA片段轉移，表明在櫟屬基因組進化過程中存在頻繁的內(nèi)共生基因轉移現(xiàn)象(圖3)。此外，與其他殼斗科物種的共線性比較結果發(fā)現(xiàn)，殼斗科線粒體基因組在基因含量上較為保守，但在結構上表現(xiàn)出高度重排和差異(圖4)。對線粒體基因組的核苷酸多樣性與選擇壓力的分析進一步表面，該類群線粒體基因組整體的核苷酸多樣性水平較低，且大部分核心蛋白編碼基因受到強烈的純化選擇，以維持線粒體功能的穩(wěn)定(圖5)。這些結果共同呈現(xiàn)出殼斗科線粒體基因組“低分子進化速率與高結構多樣性并存”的獨特特征。

圖3. 赤皮青岡中MTPT和NUMT的示意圖。(A)線粒體基因組和葉綠體基因組之間的內(nèi)共生基因轉移圖;(B)線粒體基因組和核基因組之間的內(nèi)共生基因轉移圖。MTPT，線粒體質(zhì)體轉移片段;NUMT，線粒體核轉移片段

圖4. 殼斗科近緣種與木姜葉青岡的共線性關系圖。粉色區(qū)域表示結構重排，灰色區(qū)域表示序列同源

圖5. 11個殼斗科線粒體基因組中共有蛋白質(zhì)編碼基因的Pi值(A)和Ka/Ks比值(B)。箱形圖表示數(shù)據(jù)中所有成對比較的Ka/Ks值分布。Pi，核苷酸多樣性;Ka/Ks，非同義核苷酸替換率和同義核苷酸替換率之比

系統(tǒng)發(fā)育分析結果表明，木姜葉青岡與歐洲櫟屬物種Quercus cerris具有較近的親緣關系(圖6)，而赤皮青岡在殼斗科內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育位置上得到了新的分子證據(jù)支持。這些發(fā)現(xiàn)不僅為殼斗科物種間的系統(tǒng)關系研究提供了新的數(shù)據(jù)支撐，也為理解東亞常綠闊葉林的起源與演化提供了重要的基因組學依據(jù)。

圖6. 以歐洲水青岡(Fagus sylvatica)為外類群，基于線粒體基因組(A)和葉綠體基因組(B)構建的櫟屬植物的系統(tǒng)發(fā)育樹

赤皮青岡與木姜葉青岡線粒體基因組的成功解析，標志著櫟屬基因組學研究取得系列性進展。研究不僅揭示了櫟屬青岡櫟組物種在基因組結構、重排機制與基因轉移方面的獨特規(guī)律，也為理解東亞常綠闊葉林的形成與演化提供了新的分子證據(jù)。未來，團隊將進一步結合群體基因組學與生態(tài)學數(shù)據(jù)，探索櫟屬青岡櫟組物種的適應性進化機制及遺傳多樣性格局，為東亞常綠闊葉林的保護與修復提供更加精準的分子支撐。

赤皮青岡的研究成果以“Comparative analysis of the mitogenomes of multiple species of Fagaceae, with special focus onQuercus gilva”為題發(fā)表于BMC Plant Biology期刊。該研究由上海辰山植物園植物系統(tǒng)與進化研究組科研助理李玉擔任第一作者，宋以剛副研究員為通訊作者，瑞士弗里堡大學Gregor Kozlowski教授和科研助理鄭斯斯參與合作完成。而木姜葉青岡的研究成果以“Unraveling the mitochondrial genome ofQuercus litseoides: a step towards conservation of an endangered species”為題發(fā)表于Frontiers in Plant Science期刊。上海師范大學與上海辰山植物園聯(lián)合培養(yǎng)本科生沈若寒和上海辰山植物園科研助理李玉擔任共同第一作者，上海辰山植物園宋以剛副研究員與上海師范大學戴錫玲副教授為共同通訊作者，科研助理楊良海、鄭斯斯、園藝景觀部工程師嚴旭以及Gregor Kozlowski教授共同參與了該項研究。

兩項研究得到國家自然科學基金項目(31901217)、上海市綠化和市容管理局科學研究專項基金項目(G192422, G242414, G242416和G252408)以及國家林業(yè)和草局科技發(fā)展中心項目(KJZXSA202214)的資助。

Cite these articles:

1. Li Y, Zheng S-S, Kozlowski G, Song Y-G*. (2025). Comparative analysis of the mitogenomes of multiple species of Fagaceae, with special focus onQuercus gilva. BMC Plant Biology, 25: 1098. https://doi.org/10.1186/s12870-025-07072-x.

2. Shen R-H, Li Y, Yang L-H, Zheng S-S, Yan X, Kozlowski G, Dai X-L*, Song Y-G*. (2025). Unraveling the mitochondrial genome ofQuercus litseoides: a step towards conservation of an endangered species. Frontiers in Plant Science, 16: 1620373. https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1620373.