细胞器基因组是指存在于真核细胞线粒体和叶绿体等细胞器内的遗传物质DNA，即线粒体基因组与叶绿体基因组。植物线粒体基因组大小差异显著，结构复杂且含有大量重复序列；叶绿体基因组则相对保守，多为环状DNA分子。它们编码部分功能基因，但需要细胞核基因的协助，因此被称为半自主细胞器 。
研究揭示了细胞器基因组的动态演化模式，线粒体与叶绿体基因组的结构变异规律相似但演化速度不同 。核编码的MSH1基因参与维持其稳定性并影响重组与变异积累 。细胞器基因组在物种鉴定与进化研究中有所应用 。目前，对其编辑仍存在技术挑战 。
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