睡蓮屬植物細胞器RNA轉錄后加工研究取得進展

　　植物細胞中有三個相對獨立的基因組，即核基因組、葉綠體基因組和線粒體基因組，后兩者常被稱為細胞器基因組。RNA轉錄后加工，內(nèi)含子剪接、RNA編輯、5’和3’端成熟等在植物細胞器基因組的基因表達和調控中很常見。植物細胞器RNA編輯已有報道，包括無油樟（Amborella trichopoda）及鵝掌楸（Liriodendron tulipifera）的細胞器RNA編輯，但內(nèi)含子剪接及其與RNA編輯的相互作用研究較少。中國西南野生生物種質資源庫利用PacBio Sequel平臺的三代測序技術和Illumina Hiseq平臺的二代測序技術，選擇被子植物基部類群睡蓮屬植物品種黃喬伊（Nymphaea ‘Joey Tomocik’）為研究對象，獲取了其細胞器基因組和轉錄組序列；在此基礎上，組裝出完整的葉綠體基因組和線粒體基因組（圖1），隨后將全長轉錄組（Iso-seq）序列分別比對到兩個細胞器基因組，并將去除核糖體RNA策略（rRNA-）建庫（未經(jīng)多聚腺苷酸富集polyA +）的鏈特異性轉錄組測序（RNA-seq）數(shù)據(jù)（reads及Trinity組裝轉錄本）分別比對到兩個細胞器基因組，據(jù)此獲取了睡蓮屬植物細胞器基因組在轉錄后RNA加工過程（內(nèi)含子剪接及RNA編輯）的概貌。

　　研究基于全長轉錄組數(shù)據(jù)可以校正基于同源性的細胞器基因組注釋結果。該研究發(fā)現(xiàn)，GenBank數(shù)據(jù)庫中多數(shù)植物（包括擬南芥、水稻、無油樟等）的線粒體基因nad4-i2上下游的兩個外顯子間的邊界存在注釋錯誤。基于轉錄本比對結果，檢測到睡蓮屬植物細胞器基因組中全部7個反式剪接內(nèi)含子（葉綠體中的rps12-i1、nad1-i1、nad1-i3、nad1-i4、nad2-i2、nad5-i2、nad5-i3）的剪接證據(jù)，以及除轉運RNA基因中的內(nèi)含子以外的其它基因的全部順式內(nèi)含子的剪接證據(jù)。此外，該研究還**檢測到線粒體基因nad4（含三個順式剪接內(nèi)含子）的全部8種可能的內(nèi)含子剪接產(chǎn)物；反式剪接和順式剪接的發(fā)生互有先后，結果表明，細胞器基因組的內(nèi)含子剪接是隨機發(fā)生的，無先后順序。

　　通過鏈特異性轉錄組測序數(shù)據(jù)直接比對后識別單核苷酸多態(tài)性（SNP calling），以及Trinity軟件組裝后的轉錄本比對相結合的方法，經(jīng)篩選過濾，研究獲得了睡蓮屬葉綠體基因組中98個、線粒體基因組中865個高可信的RNA編輯位點。比較發(fā)現(xiàn)，兩種細胞器中RNA編輯絕大部分發(fā)生在編碼區(qū)（其中以密碼子第二位及**位最多），80%以上的編輯位點編輯效率均超過0.6，非同義編輯前后氨基酸疏水性均增加，編輯位點上游-1位剪輯大多數(shù)為嘧啶（T和C），可以推斷植物中兩種細胞器基因組的RNA編輯可能有共同的起源和相同的機制。對比被子植物基部類群無油樟和木蘭類鵝掌楸的細胞器基因組的RNA編輯位點，睡蓮屬的RNA編輯位點數(shù)目介于二者之間，三種植物葉綠體均為ndhD基因的編輯位點最多，線粒體均為nad4基因的編輯位點最多。序列比對后發(fā)現(xiàn)，除部分共有的編輯位點外，三個物種各有其特異性的編輯位點，由此可見，被子植物早期分支的RNA編輯位點丟失可能是物種分化后獨立發(fā)生的。

　　細胞器基因組內(nèi)含子剪接和RNA編輯的互作分析發(fā)現(xiàn)，RNA編輯在內(nèi)含子和外顯子區(qū)同時發(fā)生，內(nèi)含子的RNA編輯對其自身的剪接十分重要。部分外顯子中靠近內(nèi)含子邊界的RNA編輯位點則會受到影響，研究檢測到內(nèi)含子上游7個外顯子和下游3個外顯子中的RNA編輯位點有此現(xiàn)象（距內(nèi)含子邊界在2bp到39bp之間），須內(nèi)含子剪接之后才可以被編輯，但部分外顯子中靠近內(nèi)含子邊界的編輯位點不受內(nèi)含子剪接與否的影響（如nad4 exon3中距離前后兩個內(nèi)含子28bp和27bp的編輯位點）。

　　相關研究成果以Organelle Genomes and Transcriptomes of Nymphaea Reveal the Interplay between Intron Splicing and RNA Editing為題，發(fā)表在International Journal of Molecular Sciences上。研究工作得到中科院重大科技基礎設施開放研究項目的資助。