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科研進展

睡蓮屬植物細胞器RNA轉錄後加工研究取得新進展

文章来源:中國西南野生生物種質資源庫  |  发布时间:2021-09-13  |  作者:贺正山  |  浏览次数:  |  【打印】 【關閉

 

  植物細胞中有三個相對獨立的基因,即核基因組、葉綠體基因組和線粒體基因組,後两者常被称为細胞器基因組。RNA轉錄後加工,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达和调控中很常见。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较少。中國西南野生生物種質資源庫利用PacBio Sequel平台的三代測序技術Illumina Hiseq平台的二代測序技術,選擇被子植物基部類群睡蓮屬植物品種黃喬伊Nymphaea ‘Joey Tomocik’)爲研究對象,獲取了其細胞器基因組和转录組序列。在此基礎上,組装出其完整的葉綠體基因組和線粒體基因組(圖1),随後將全长转录組Iso-seq)序列分别比对到两個細胞器基因組,去除核糖體RNA策略(rRNA-)建庫(經多聚腺苷酸富集polyA +的鏈特異性转录組测序(RNA-seq數據(readsTrinity組装转录本)分别比对到两個細胞器基因組,據此取了睡蓮屬植物細胞器基因組在转录RNA加工過程(內含子剪接及RNA編輯)的概貌。

  基于全长转录組数据,可以校正基于同源性的細胞器基因組注释结果。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上下遊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,检测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,該研究還首次检测到了線粒體基因nad4(含三個順式剪接內含子)的全部8種可能的內含子剪接産物反式剪接和順式剪接的发生互有先後,此結果表明細胞器基因組的内含子剪接是随机发生的没有先後顺序(圖2)。 

  通過鏈特異性转录組测序數據直接比對後识别单核苷酸多态性(SNP calling),以及Trinity軟件組装後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編輯位点。比较發現,两种細胞器中RNA編輯均绝大部分发生在编码区(其中以密碼子第二位及第一位最多),80%以上的編輯位点編輯效率均超过0.6非同義編輯前後氨基酸疏水性均全部增,編輯位点上游-1位剪輯均絕大多數爲嘧啶(TC),可以推斷植物中兩种細胞器基因組的RNA編輯可能有共同的起源和相同的机制(圖3)。對比被子植物基部類群無油樟和木蘭類鹅掌楸的細胞器基因組的RNA編輯位点,睡蓮RNA編輯位点数目介于二者之間,三種植物葉綠體均爲ndhD基因的編輯位点最多,线粒體均为nad4基因的編輯位点最多。序列比对後發現,除部分共有的編輯位点外,三個物种各有其特异性的編輯位点,由此可見,被子植物早期分支的RNA編輯位点丢失可能是物种分化後独立发生的。 

  細胞器基因組内含子剪接和RNA編輯的互作分析發現,RNA編輯在内含子和外显子区同时发生,內含子的RNA編輯对其自身的剪接至关重要。部分外显子中靠近内含子邊界的RNA編輯位点则会受到影响,研究檢測到內含子上遊7個外显子和下游3個外显子中的RNA編輯位点有此现象(距内含子邊界2bp39bp之間),须内含子剪接之後才可以被編輯但部分外显子中靠近内含子邊界的編輯位点不受内含子剪接与否的影响(如nad4 exon3中距离前後两個内含子28bp27bp的編輯位点) 

  該研究以“Organelle Genomes and Transcriptomes of Nymphaea Reveal the Interplay between Intron Splicing and RNA Editing”爲題發表于生物化學和分子生物學期刊International Journal of Molecular Sciences,博士研究生賀正山爲論文第一作者,樊維姝博士、李德铢研究員爲論文通讯作者。該研究獲得到了中國科學院重大科技基础设施开放研究项目2017-LSF-GBOWS-02資助 

  論文鏈接 

1 睡蓮品种黄喬伊线粒體基因組(含25kb重複)葉綠體基因組的組装和注释 

 

2 睡蓮屬植物葉綠體基因組和线粒體基因組的順式及反式內含子剪接 

 

3 睡蓮屬植物葉綠體基因組和线粒體基因組RNA編輯对比 

(责任編輯:李雪)

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原本山川 极名草木
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