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睡蓮屬植物細胞器RNA轉錄后加工研究取得新進展

  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,包括內含子剪接、RNA編輯、5’3’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編輯已有一些報道,包括無油樟Amborella trichopoda及鵝掌楸Liriodendron tulipifera細胞器RNA編輯,內含子剪接及其與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,組裝出其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,去除核糖體RNA策略(rRNA-)建庫(經多聚腺苷酸富集polyA +)的鏈特異性轉錄組測序(RNA-seq)數據(readsTrinity組裝轉錄本)分別比對到兩個細胞器基因組,據此取了睡蓮屬植物細胞器基因組在轉錄RNA加工過程(內含子剪接及RNA編輯)的概貌。

  基于全長轉錄組數據,可以校正基于同源性的細胞器基因組注釋結果。該研究發現GenBank數據庫中多數植物(包括擬水稻無油樟等)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,檢測到了睡蓮屬植物細胞器基因組中全部7個反式剪接內含子(葉綠體中的rps12-i1nad1-i1nad1-i3nad1-i4nad2-i2nad5-i2nad5-i3)的剪接證據,以及除轉運RNA基因中的內含子以外的其它基因的全部順式內含子的剪接證據。此外,該研究還首次檢測到了線粒體基因nad4(含三個順式剪接內含子)的全部8種可能的內含子剪接產物反式剪接和順式剪接的發生互有先后,此結果表明細胞器基因組的內含子剪接是隨機發生的沒有先后順序(圖2)。 

  通過鏈特異性轉錄組測序數據直接比對后識別單核苷酸多態性(SNP calling),以及Trinity軟件組裝后的轉錄本比對相結合的方法,經嚴格的篩選過濾,獲得了睡蓮葉綠體基因組中98個、線粒體基因組中865高可信的RNA編輯位點。比較發現,兩種細胞器中RNA編輯均絕大部分發生在編碼區(其中以密碼子第二位及第一位最多),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全部增,編輯位點上游-1位剪輯均絕大多數為嘧啶(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(圖3)。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RNA編輯位點數目介于二者之間,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。序列比對后發現,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生的。 

  細胞器基因組內含子剪接和RNA編輯的互作分析發現,RNA編輯在內含子和外顯子區同時發生,內含子的RNA編輯對其自身的剪接至關重要。部分外顯子中靠近內含子邊界的RNA編輯位點則會受到影響,研究檢測到內含子上游7個外顯子和下游3個外顯子中的RNA編輯位點有此現象(距內含子邊界在2bp39bp之間),須內含子剪接之后才可以被編輯但部分外顯子中靠近內含子邊界的編輯位點不受內含子剪接與否的影響(如nad4 exon3中距離前后兩個內含子28bp27bp的編輯位點) 

  該研究以“Organelle Genomes and Transcriptomes of Nymphaea Reveal the Interplay between Intron Splicing and RNA Editing”為題發表于生物化學和分子生物學期刊International Journal of Molecular Sciences,博士研究生賀正山為論文第一作者,樊維姝博士、李德銖研究員為論文通訊作者。該研究獲得到了中國科學院重大科技基礎設施開放研究項目2017-LSF-GBOWS-02資助 

  論文鏈接 

睡蓮品種黃喬伊線粒體基因組(含25kb重復)葉綠體基因組的組裝和注釋 

 

2 睡蓮屬植物葉綠體基因組和線粒體基因組的順式及反式內含子剪接 

 

睡蓮屬植物葉綠體基因組和線粒體基因組RNA編輯對比

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