陸生植物葉綠體RNA編輯進(jìn)化分析

萬平

（首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048）

葉綠體是高等植物和藻類進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。目前普遍認(rèn)為，最早的葉綠體起源于一種真核生物吞食了一種藍(lán)細(xì)菌［1］。1991年，K?ssel等在對玉米葉綠體基因組進(jìn)行測序時發(fā)現(xiàn)了葉綠體RNA編輯現(xiàn)象［2］。位于玉米rpl2基因中的一個C-U編輯將密碼子ACG轉(zhuǎn)換為 AUG，這一轉(zhuǎn)換產(chǎn)生出一個起始密碼子。此后不久，在煙草、胡椒和菠菜的psbL基因中也發(fā)現(xiàn)了類似的ACG到 AUG的密碼子轉(zhuǎn)換［3-5］。目前已知，除地錢外，葉綠體RNA編輯現(xiàn)象存在于所有陸生植物中［6］。在近70種植物（包括非維管陸生植物和維管植物）的葉綠體中已發(fā)現(xiàn)了至少2 100多個RNA編輯位點。

盡管距發(fā)現(xiàn)葉綠體RNA編輯現(xiàn)象已過去了20多年，但人們對于葉綠體中RNA編輯的機(jī)理和進(jìn)化過程仍知之甚少［7，8］。已發(fā)現(xiàn)有兩個蛋白家族：PPR和MORF可能參與RNA編輯過程［9-11］，但細(xì)節(jié)仍不清楚。

葉綠體RNA編輯存在于所有高等植物中，但在高等植物葉綠體祖先中，即某些原始苔蘚植物（如某些地錢）、所有藻類和藍(lán)細(xì)菌中卻不存在，這說明葉綠體RNA編輯并不是古老起源［6］。1993年，Covello和Gray［12］提出了關(guān)于葉綠體RNA編輯起源進(jìn)化的三步模型。2006年，Tillich等［13］提出單一起源假說，認(rèn)為陸生植物的RNA編輯不是各植物類群獨自獲得的，而是單一起源的。

本研究從氨基酸轉(zhuǎn)移概率、密碼子轉(zhuǎn)移概率、編輯位點在密碼子中的位置、編輯位點-1位置堿基出現(xiàn)頻率以及編輯位點+1位置堿基出現(xiàn)頻率5個方面對非維管植物（角苔和苔蘚）和維管植物（蕨類和雙子葉植物）葉綠體RNA編輯位點進(jìn)行分析，比較雙子葉植物葉綠體RNA編輯在密碼子轉(zhuǎn)移方面與其他陸生植物類群存在的差異。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)

從NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫中收集整理了非維管植物（角苔和苔蘚）和維管植物（蕨類和雙子葉植物）葉綠體中1514個C-U RNA編輯位點（表1）。

1.2 RNA編輯特征分析

表1 本研究所用數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)［14］中介紹的方法，采用Perl腳本，對1 514個葉綠體RNA編輯位點進(jìn)行：（1）氨基酸轉(zhuǎn)移概率、（2）密碼子轉(zhuǎn)移概率、（3）編輯位點在密碼子中出現(xiàn)位置概率、（4）編輯位點-1位堿基組成和（5）編輯位點+1位堿基組成分析。

1.3 統(tǒng)計顯著性檢驗

采用R語言（http：//www.r-project.org/）中的Kruskal-Wallis檢驗方法對不同植物類群間的特征差異進(jìn)行統(tǒng)計顯著性檢驗。

2 結(jié)果

2.1 密碼子和氨基酸轉(zhuǎn)移概率

RNA編輯前后密碼子的種類發(fā)生轉(zhuǎn)移，并導(dǎo)致氨基酸的種類也發(fā)生轉(zhuǎn)移。在角苔、苔蘚和雙子葉植物中，密碼子UCA>UUA的轉(zhuǎn)移概率最高（對應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)移為S>L）；而在蕨類中，密碼子ACG>AUG的轉(zhuǎn)移概率最高（對應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)移為T>M），UCA>UUA的轉(zhuǎn)移概率排在第2位（圖1）。

不同植物類群中密碼子轉(zhuǎn)移和氨基酸轉(zhuǎn)移種類的數(shù)目不同（圖2）。角苔、苔蘚和蕨類中，密碼子轉(zhuǎn)移種類在40種左右，而雙子葉植物中密碼子轉(zhuǎn)移種類只有16種。類似的變化趨勢也在存于氨基酸轉(zhuǎn)移種類方面：角苔、苔蘚和蕨類中，氨基酸轉(zhuǎn)移種類在23種左右，而雙子葉植物中氨基酸轉(zhuǎn)移種類只有11種。Kruskal-Wallis統(tǒng)計檢驗結(jié)果表明，雙子葉植物葉綠體RNA編輯在密碼子轉(zhuǎn)移和氨基酸轉(zhuǎn)移方面與角苔、苔蘚和蕨類植物存在顯著差異（P值分別為和0.026 48）。

2.2 編輯位點在密碼子中出現(xiàn)位置、編輯位點+1位和-1位堿基出現(xiàn)概率

在所觀察的所有植物類群中，編輯位點均在密碼子第2位出現(xiàn)的概率最大，在第3位出現(xiàn)的概率最小（圖3），因此，RNA編輯通常改變氨基酸種類［15］。編輯位點在密碼子中出現(xiàn)位置在各類群之間不存在顯著差異（Kruskal-Wallis檢驗p值為 0.988 3）。

葉綠體RNA編輯位點+1位上出現(xiàn)A或G的概率較大（圖3），各類群之間不存在顯著差異（Kruskal-Wallis檢驗P值 0.907 4）。

葉綠體RNA編輯位點-1位上出現(xiàn)U的概率較大，出現(xiàn)G的概率較?。▓D3），各類群之間不存在顯著差異（Kruskal-Wallis檢驗P值 0.995 6）。

圖1 不同植物類群中密碼子和氨基酸的轉(zhuǎn)移概率分布

圖2 植物類群中密碼子轉(zhuǎn)移和氨基酸轉(zhuǎn)移種類數(shù)目

3 討論

陸生植物葉綠體RNA編輯位點數(shù)目僅為線粒體RNA編輯位點的數(shù)目的十分之一，目前人們還不知道葉綠體RNA編輯位點數(shù)目遠(yuǎn)少于線粒體RNA編輯位點數(shù)目的具體原因［16］。葉綠體中所有tRNA都是由葉綠體基因組編碼［17，18］。然而，在已測序的葉綠體tRNA或tRNA基因中，與密碼子CUU/C （Leu），CCU/C （Pro），GCU/C（Ala） 和 CGC/A/G （Arg）互補的反密碼子tRNA都不存在［19］。本研究發(fā)現(xiàn)，雙子葉植物中密碼子轉(zhuǎn)移種類的數(shù)目（16種）遠(yuǎn)低于其他植物類群（約40種）。而在關(guān)于植物線粒體RNA編輯的研究中發(fā)現(xiàn)，開花植物（單子葉植物和雙子葉植物）中密碼子轉(zhuǎn)移種類的數(shù)目（分別為50和57種）遠(yuǎn)多于其他植物類群（約35種）。

為什么雙子葉植物的葉綠體和線粒體在密碼子轉(zhuǎn)移方面的表現(xiàn)截然相反？盡管已發(fā)現(xiàn)PPR和MORF兩個蛋白家族參與RNA編輯［9］，并且PPR家族中的PLS蛋白在植物細(xì)胞器RNA編輯中起關(guān)鍵作用，但這兩個家族在雙子葉植物葉綠體和線粒體中，發(fā)揮作用的成員種類和作用機(jī)制是否相同；另一方面，雙子葉植物葉綠體和線粒體的RNA編輯是否具有共同的起源，這些問題有待進(jìn)一步深入研究。

［1］ Douglas SE, Turner S. Molecular evidence for the origin of plastids from a cyanobacterium-like ancestor［J］. J Mol Evol, 1991, 33（3）：267-273.

［2］ Hoch B, Maier RM, Appel K, et al. Editing of a chloroplast mRNA by creation of an initiation codon［J］. Nature, 1991, 353：178-180.

圖3 葉綠體RNA編輯位點在密碼子中出現(xiàn)位置、編輯位點+1位和-1位堿基出現(xiàn)概率

［3］ Kudla J, Igloi G, Metzlaff M, et al. RNA editing in tobacco chloroplasts leads to the formation of a translatable psbL mRNA by a C to U substitution within the initiation codon［J］. The EMBO Journal, 1992, 11：1099-1103.

［4］ Kuntz M, Camara B, et al. The psbL gene from bell pepper （Capsicum annuum）：plastid RNA editing also occurs in non-photosynthetic chromoplasts［J］. Plant Mol Biol, 1992, 20 ：1185-1188.

［5］ Bock R, Hagemann R, K?ssel H, Kudla J. Tissue- and stagespecific modulation of RNA editing of the psbF and psbL transcript from spinach plastids-a new regulatory mechanism?［J］. Mol Gen Genet, 1993, 240（2）：238-244.

［6］ Freyer R, Kiefer-Meyer MC, K?ssel H. Occurrence of plastid RNA editing in all major lineages of land plants［J］. PNAS, 1997, 94（12）：6285-6290.

［7］ Kotera E, Tasaka M, Shikanai T. A pentatricopeptide repeat protein is essential for RNA editing in chloroplasts［J］. Nature, 2005, 433（7023）：326-330.

［8］ Fujii S, Small I. The evolution of RNA editing and pentatricopeptide repeat genes［J］. New Phytol, 2011, 191（1）：37-47.

［9］ Takenaka M, Zehrmann A, Verbitskiy D, et al. Multiple organellar RNA editing factor （MORF） family proteins are required for RNA editing in mitochondria and plastids of plants［J］. PNAS, 2012, 109（13）：5104-5109.

［10］ Zehrmann A, Verbitskiy D, van der Merwe JA, et al. A DYW domain-containing pentatricopeptide repeat protein is required for RNA editing at multiple sites in mitochondria of Arabidopsis thaliana［J］. The Plant Cell, 2009, 21（2）：558.

［11］ Kim SR, Yang JI, Moon S, et al. Rice OGR1 encodes a pentatricopeptide repeat-DYW protein and is essential for RNA editing in mitochondria［J］. Plant J, 2009, 59（5）：738-749.

［12］ Covello PS, Gray MW. On the evolution of RNA editing［J］. Trends in Genetics, 1993, 9（8）：265-268.

［13］ Tillich M, Lehwark P, et al. The evolution of chloroplast RNA editing［J］. Mol Biol Evol, 2006, 23（10）：1912-1921.

［14］ 萬平. 植物線粒體和葉綠體RNA編輯的比較［J］. 生物技術(shù)通報, 2013（6）.

［15］ Gray MW, Covello PS. RNA editing in plant mitochondria and chloroplasts. FASEB, 1993, 7（1）：64-71.

［16］ Gray MW. Evolutionary origin of RNA editing［J］. Biochemistry, 2012, 51（26）：5235-5242.

［17］ Ohyama K, Fukuzawa H, Kohchi T, et al. Chloroplast gene organization deduced from complete sequence of liverwort Marchantia polymorpha chloroplast DNA［J］. Nature, 1986, 322：572-574.

［18］ Shinozaki K, Ohme M, Tanaka M, et al. The complete nucleotide sequence of the tobacco chloroplast genome：its gene organization and expression［J］. EMBO J, 1986, 5（9）：2043-2049.

［19］ Pfitzinger H, Weil JH, Pillay DTN, Guillemaut P. Codon recognition mechanisms in plant chloroplasts［J］. Plant Molecular Biology, 1990, 14（5）：805-814.