淺述植物葉綠體RNA編輯研究進(jìn)展

馮偉

摘要：植物葉綠體RNA編輯技術(shù)是一種通過編輯植物葉綠體RNA分子的序列來實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)改變的方法。該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括植物品種改良、重要農(nóng)林作物的生產(chǎn)和生命科學(xué)研究。本文重點(diǎn)結(jié)合植物葉綠體中RNA編輯的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)研究進(jìn)行綜述，探討了葉綠體RNA編輯的重要意義和應(yīng)用前景，為未來植物育種和保護(hù)種質(zhì)資源提供新的思路和途徑。

關(guān)鍵詞：高等植物；葉綠體；RNA編輯；基因組

葉綠體RNA編輯（RNA editing）是一種在植物葉綠體中廣泛存在的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，在重要的生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要的作用。葉綠體RNA編輯是通過轉(zhuǎn)錄和修飾葉綠體 DNA 生成的成熟mRNA，與肺炎球菌和線蟲等一些細(xì)菌和動(dòng)物RNA編輯機(jī)制中的相似。在植物葉綠體RNA編輯中，通過去除或替換葉綠體RNA分子上的特定堿基來改變RNA信息學(xué)特性，包括氨基酸編碼方式、起始和終止密碼子、剪接插入和刪除等。它可以影響光合作用、呼吸鏈、糖代謝和其他重要生物過程，從而在植物中扮演重要角色。葉綠體RNA編輯的研究不僅有助于深入了解植物基因調(diào)控機(jī)制，也可為農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和生物技術(shù)領(lǐng)域提供有用的信息。通過研究葉綠體RNA編輯，可以揭示植物適應(yīng)環(huán)境的分子機(jī)制，例如逆境響應(yīng)和進(jìn)化，為糧食作物的改良和地球生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供支持[1]。1983年，首例葉綠體RNA編輯被發(fā)現(xiàn)——在紫杉葉綠體基因psbA中，通過轉(zhuǎn)錄和進(jìn)一步加工生成多個(gè)mRNA序列，其中有一個(gè)序列經(jīng)過復(fù)雜的修飾，催生了對RNA編輯機(jī)制的研究[2]。1986年，被稱為造成RNA編輯的 “C-to-U 編輯酶” 首次被純化出來，并被確定為一種蛋白質(zhì)[3]。此后，在網(wǎng)狀藻、苔蘚、高等植物等多個(gè)植物物種中都發(fā)現(xiàn)了葉綠體RNA編輯。進(jìn)一步的研究表明，葉綠體RNA編輯是一種共同存在于所有綠色植物類群中的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制[4]。在過去的幾十年里，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，對葉綠體RNA編輯的研究不斷加深。現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解到許多關(guān)于葉綠體RNA編輯的重要信息，包括RNA編輯酶的類型、機(jī)制和信號，以及編輯在植物性狀、進(jìn)化和基因治療中的作用。這些研究成果與技術(shù)進(jìn)步為探索這一領(lǐng)域開辟了新的道路，使得葉綠體RNA編輯的研究成為植物生物學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要熱點(diǎn)。

1 葉綠體RNA編輯的分子機(jī)制

1.1 RNA編輯酶的種類和功能

葉綠體RNA編輯酶是一類專門介導(dǎo)葉綠體RNA編輯的蛋白質(zhì)。經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種類型的葉綠體RNA編輯酶，包括腺苷酸脫氨酶-腺苷酸?；福ˋDAR）、膽固醇合成調(diào)節(jié)因子（APOBEC）、聚腺苷酸合成酶（PAP）、稀有假單胞菌鳥翅狀體（RARE1）、獨(dú)立于光的編碼器（ELI）、CCA1、ORRM1/2 等，其中ADAR是最常見的一類葉綠體RNA編輯酶。不同種類的葉綠體RNA編輯酶可以催化不同種類的堿基修飾，發(fā)揮不同的功能，例如：ADAR通過將腺嘌呤（A）轉(zhuǎn)化為肝嘌呤（I）來影響葉綠體基因的翻譯和轉(zhuǎn)錄后處理[5]。APOBEC酶可以在葉綠體 RNA上催化脫氨酶作用，從而引入C-to-U編輯，影響mRNA翻譯和穩(wěn)定性。PAP酶在催化mRNA翻譯時(shí)，引入腺苷酸位點(diǎn)，增加葉綠體mRNA的穩(wěn)定性。ELI酶不僅可以催化葉綠體mRNA編輯，還可以抑制轉(zhuǎn)錄起始位置。最近的研究還揭示了葉綠體RNA編輯酶在植物進(jìn)化、生長發(fā)育、環(huán)境應(yīng)答等方面發(fā)揮作用的機(jī)制，這些研究為我們更好地理解葉綠體RNA編輯的調(diào)控機(jī)制提供了新的視角[6]。

1.2 RNA編輯在葉綠體中的信號

葉綠體RNA編輯是一個(gè)高度調(diào)控的過程，它受到多種內(nèi)部和外部信號的影響。許多葉綠體RNA編輯位點(diǎn)周圍存在特殊的信號序列，這些序列中可以包含儲能元件、UTR區(qū)域（非編碼區(qū)）中的RNA二級結(jié)構(gòu)以及不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，這些序列提供了葉綠體RNA編輯的調(diào)節(jié)機(jī)制。光合作用是葉綠體最重要的生理過程之一，所以許多葉綠體RNA編輯調(diào)控過程與光合作用有關(guān)，包括光調(diào)節(jié)酶和光合作用基因的編碼。逆境刺激可以影響葉綠體RNA編輯的水平，例如鹽脅迫、溫度脅迫和光脅迫等，這種環(huán)境應(yīng)激可以改變RNA編輯酶的表達(dá)水平和 RNA編輯位點(diǎn)的分布。葉綠體RNA編輯還和植物的基因表達(dá)變化密切相關(guān)。例如，研究表明在植物生長和分化過程中，葉綠體RNA編輯可以在不同時(shí)期表達(dá)，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)和細(xì)胞發(fā)育。總之，葉綠體RNA編輯是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多個(gè)內(nèi)部和外部信號的影響[7]。

2 葉綠體RNA編輯對植物的影響

2.1 葉綠體RNA編輯對植物生長發(fā)育的影響

葉綠體RNA編輯可以通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)、促進(jìn)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性等多種機(jī)制影響植物的生長和發(fā)育。研究表明，葉綠體RNA編輯可以調(diào)節(jié)許多植物基因的表達(dá)，如擬南芥的葡萄糖-6-磷酸去氫酶基因和蕪菁的神經(jīng)酰胺合酶基因。這些基因在植物的生長和發(fā)育中起著重要的作用。葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的主要場所，葉綠體RNA編輯可以影響光合作用的效率和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，從而影響植物的生長和發(fā)育[8]。例如，Kre6和psbA是擬南芥中光合作用的關(guān)鍵基因，它們通過葉綠體RNA編輯來調(diào)節(jié)植物的光合效率。逆境條件下，葉綠體RNA編輯可以通過調(diào)節(jié)能量代謝和逆境響應(yīng)基因的表達(dá)來幫助植物適應(yīng)環(huán)境變化。葉綠體RNA 編輯還可以通過多種機(jī)制影響植物的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性。在高溫逆境下，植物的葉綠體RNA編輯量會顯著增加，尤其是在與氧化磷酸化途徑相關(guān)的NADP-依賴性異構(gòu)酶生物合成途徑中的編輯更為顯著。此外，編輯型異構(gòu)酶在高溫逆境下能發(fā)揮重要的適應(yīng)性作用，從而調(diào)控植物的表現(xiàn)能力。研究發(fā)現(xiàn)，高溫逆境下，某些特定的基因會發(fā)生錯(cuò)誤編輯。通過對比野生型和基因編輯型植株，在一定程度上發(fā)現(xiàn)了逆境下植物RNA編輯靶點(diǎn)的顯著變化。例如，對擬南芥的研究表明，在金屬離子與熱脅迫同時(shí)存在的環(huán)境下，葉綠體RNA編輯機(jī)制中的基因表達(dá)能夠得到更為精細(xì)地調(diào)節(jié)，從而加強(qiáng)植物對環(huán)境的適應(yīng)性。其次，在光合逆境下，葉綠體RNA編輯酶則可能通過調(diào)節(jié)光合作用水平來調(diào)節(jié)植物的光合逆境應(yīng)答。例如，降低基因體中RNA編輯酶的表達(dá)會降低植物葉綠體NDH（I）家族基因的編輯力度和光電位感應(yīng)響應(yīng)，從而降低植物的光合效率，造成明顯的光合負(fù)荷應(yīng)答。

2.2 葉綠體RNA編輯與植物基因組演化的關(guān)系

葉綠體RNA編輯是一種在線粒體或葉綠體中發(fā)生的后轉(zhuǎn)錄修改機(jī)制，它會改變RNA序列的堿基組成，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯產(chǎn)生變化。這種轉(zhuǎn)錄后修飾機(jī)制不僅在進(jìn)化過程中扮演了重要角色，而且對于植物基因組演化也具有重要作用[4]。目前，研究表明葉綠體RNA編輯對植物基因組演化有以下影響：

（1）基因家族擴(kuò)張

在進(jìn)化途徑中，葉綠體RNA編輯可以導(dǎo)致一些基因的家族擴(kuò)張和多樣性增加。比如說，擬南芥中的RRM基因家族就是一個(gè)例子，其中的一些成員就是由于RNA編輯導(dǎo)致的蛋白質(zhì)序列變異而形成的。這表明，葉綠體RNA編輯機(jī)制能夠催生出更多具有新功能的基因類型，從而促進(jìn)物種的多樣性和進(jìn)化的速度[9]。

（2）基因組結(jié)構(gòu)的演化

植物物種中，葉綠體RNA編輯的程度和方法的不同會導(dǎo)致基因組結(jié)構(gòu)的差異。許多植物擁有雙重DNA，即核基因組和細(xì)胞質(zhì)基因組，核基因組遵循孟德爾遺傳規(guī)律，而細(xì)胞質(zhì)基因組則由母本承傳。研究發(fā)現(xiàn)，葉綠體RNA編輯可以約束葉綠體基因組的大小和結(jié)構(gòu)，促進(jìn)基因組演化與進(jìn)化的方向。

（3）跨物種比較和分析

基于葉綠體RNA編輯技術(shù)的研究還可以為植物基因組的比較和演化分析提供重要參考。通過對比物種間的RNA編輯位點(diǎn)，可以進(jìn)一步了解不同物種之間的親緣關(guān)系和進(jìn)化關(guān)系。

3 葉綠體RNA編輯的研究方法

葉綠體RNA編輯是一種重要的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，在植物的逆境應(yīng)答和進(jìn)化過程中扮演著關(guān)鍵的角色。因此，為了深入探究葉綠體RNA編輯的機(jī)制和生物學(xué)意義，需要采用一系列的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析方法。RNA測序技術(shù)是一種高通量技術(shù)，可以大規(guī)模地檢測和分析RNA編輯水平[10]。RNA測序技術(shù)的原理在于將RNA轉(zhuǎn)錄成cDNA，并通過測序儀進(jìn)行測序和分析，從而識別編輯位點(diǎn)并計(jì)算編輯豐度。通過RNA測序技術(shù)，可以全面評估植物葉綠體RNA編輯的水平和豐度，進(jìn)一步了解葉綠體RNA編輯在植物的發(fā)育、逆境響應(yīng)和進(jìn)化過程中的意義?；蚓庉嫾夹g(shù)是一種直接研究葉綠體RNA編輯機(jī)制的方法。在基因編輯技術(shù)中，可以使用CRISPR/Cas9等基因編輯系統(tǒng)對特定編輯位點(diǎn)進(jìn)行精確編輯，從而評估組成和表達(dá)基因的差異?；蚓庉嫾夹g(shù)廣泛應(yīng)用于研究葉綠體RNA編輯對蛋白分子結(jié)構(gòu)、功能和表達(dá)的影響，從而揭示葉綠體RNA編輯的生物學(xué)意義?？偟膩碚f，葉綠體RNA編輯的研究方法涉及多種技術(shù)和手段。這些方法可以從不同的側(cè)面揭示葉綠體RNA編輯的機(jī)制和生物學(xué)意義，為植物生長發(fā)育和進(jìn)化提供重要的理論基礎(chǔ)。未來，葉綠體RNA編輯的研究方法和技術(shù)將繼續(xù)不斷創(chuàng)新和完善，以更好地揭示其在植物生物學(xué)中的作用和意義。

4 葉綠體RNA編輯的意義和應(yīng)用

RNA編輯是轉(zhuǎn)錄后的基因表達(dá)調(diào)控，通過改變RNA序列的堿基組成，進(jìn)而改變蛋白質(zhì)序列的變異和轉(zhuǎn)錄后的基因功能調(diào)控。由此可見，葉綠體RNA編輯可以在植物自身維持基因功能的同時(shí)，還可以改變基因的表達(dá)模式，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的生長與發(fā)育、逆境應(yīng)答等生理過程[11]。另外，通過RNA編輯，植物可以產(chǎn)生新的基因類型和多樣性，進(jìn)一步促進(jìn)物種的進(jìn)化。由于葉綠體RNA編輯可以突破中央法則，在某種程度上可以說植物葉綠體具有自身獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)。因此，該機(jī)制可以拓展我們對生物遺傳學(xué)和基因調(diào)控的認(rèn)識和理解。這對于我們進(jìn)一步理解植物的生物學(xué)意義。葉綠體RNA編輯在植物育種改良中也具有非常廣泛的應(yīng)用前景。通過對葉綠體RNA編輯進(jìn)行調(diào)控，可以更好地改良植物抗御外部環(huán)境壓力的情況。例如，可通過調(diào)節(jié)擬南芥葉綠體RNA編輯所編碼的基因，提高該植物的耐機(jī)械傷害能力和耐旱程度。通過這種方式，可以減少植物生長過程中受災(zāi)率，增加產(chǎn)量等[12]。

5 結(jié)論和展望

植物葉綠體RNA編輯技術(shù)具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，將在植物生物學(xué)、遺傳學(xué)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。該技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛，為未來植物育種和保護(hù)種質(zhì)資源提供了新的思路和途徑。未來葉綠體RNA編輯技術(shù)可以通過提高編輯效率和精度、開發(fā)新的編輯因子和工具、拓展編輯的目標(biāo)和應(yīng)用范圍以及加強(qiáng)創(chuàng)新探索等方面實(shí)現(xiàn)更大的突破和創(chuàng)新。同時(shí)也可應(yīng)用于生物治療、生物安全和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域。

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