细胞器基因组是指真核细胞中，存在于线粒体和叶绿体等细胞器内的遗传物质。它与细胞核基因组共同构成了细胞的遗传信息系统，但由于其独特的起源、结构和遗传方式，在生命活动中扮演着不可替代的角色。由于存在与细胞质中，细胞器基因组具有母系遗传的特点，并且其完整功能的发挥需要借助核基因组上某些基因的协助，因此也具有“半自主性”。目前的研究表明，叶绿体和线粒体中的基因与核染色体之间存在非常多的交流，这对于研究真核生物的进化关系具有非常重要的作用。

叶绿体普遍存在于植物体中，叶绿体基因组是一个典型的双链环状DNA分子，一个植物当中含有多个叶绿体，一个叶绿体中含有12个cpDNA分子。常见的植物叶绿体基因组大小一般在150-160 kb左右，藻类会略小一些，在80-100 kb左右，一般由四部分组成，包括一个LSC和一个SSC，以及二者之间的两个IR区。

线粒体堪称生命活动的“能量供给站”，这种存在于大多数细胞中的细胞器，拥有自身的遗传物质和遗传体系，除了为细胞供能之外，线粒体还参与到多种细胞功能过程中，拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。

典型的动物线粒体是一个环状的双链DNA，有些动物的线粒体也会裂化（啮总目，虱目）；基因组一般比较小，常见的在15-16 kb左右，基因间隔区小，所有的基因都不含有内含子，有重叠基因。在组分构成上一般含13个蛋白，2个rRNAs，22个tRNAs，在3’端有一段控制区。

主要应用领域

• 系统进化与物种鉴定：由于序列相对保守且进化速率适中，细胞器基因组（尤其是动物线粒体基因组和植物叶绿体基因组）是研究物种演化关系和进行DNA条形码物种鉴定的黄金标准。

• 医学研究与疾病：线粒体DNA的突变与多种人类疾病相关，如Leigh综合征、MELAS综合征等。这些疾病常影响能量需求高的组织（神经、肌肉），并表现出阈值效应和母系遗传的特点。

• 农业与生物技术：叶绿体基因工程被用于将外源基因（如抗虫、抗除草剂基因）转入植物，其优势是基因表达量高且不易通过花粉扩散（生物安全）。细胞质雄性不育系（CMS）是杂交作物育种的重要工具。