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，後兩者常被稱為細胞器基因組。RNA轉錄後加工，内含子剪接、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，但内含子剪接及其與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平台的三代測序技術和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’）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），随後将全長轉錄組（Iso-seq）序列分别比對到兩個細胞器基因組，并将去除核糖體RNA策略（rRNA-）建庫（未經多聚腺苷酸富集polyA ）的鍊特異性轉錄組測序（RNA-seq）數據（reads及Trinity組裝轉錄本）分别比對到兩個細胞器基因組，據此獲取了睡蓮屬植物細胞器基因組在轉錄後RNA加工過程（内含子剪接及RNA編輯）的概貌。

研究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（包括拟南芥、水稻、無油樟等）的線粒體基因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，檢測到睡蓮屬植物細胞器基因組中全部7個反式剪接内含子（葉綠體中的rps12-i1、nad1-i1、nad1-i3、nad1-i4、nad2-i2、nad5-i2、nad5-i3）的剪接證據，以及除轉運RNA基因中的内含子以外的其它基因的全部順式内含子的剪接證據。此外，該研究還首次檢測到線粒體基因nad4（含三個順式剪接内含子）的全部8種可能的内含子剪接産物；反式剪接和順式剪接的發生互有先後，結果表明，細胞器基因組的内含子剪接是随機發生的，無先後順序（圖2）。

通過鍊特異性轉錄組測序數據直接比對後識别單核苷酸多态性（SNP calling），以及Trinity軟件組裝後的轉錄本比對相結合的方法，經篩選過濾，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。比較發現，兩種細胞器中RNA編輯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，非同義編輯前後氨基酸疏水性均增加，編輯位點上遊-1位剪輯大多數為嘧啶（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，睡蓮屬的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。序列比對後發現，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編輯位點丢失可能是物種分化後獨立發生的。

細胞器基因組内含子剪接和RNA編輯的互作分析發現，RNA編輯在内含子和外顯子區同時發生，内含子的RNA編輯對其自身的剪接十分重要。部分外顯子中靠近内含子邊界的RNA編輯位點則會受到影響，研究檢測到内含子上遊7個外顯子和下遊3個外顯子中的RNA編輯位點有此現象（距内含子邊界在2bp到39bp之間），須内含子剪接之後才可以被編輯，但部分外顯子中靠近内含子邊界的編輯位點不受内含子剪接與否的影響（如nad4 exon3中距離前後兩個内含子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。

圖1.睡蓮品種黃喬伊線粒體基因組（含25kb重複）和葉綠體基因組的組裝和注釋

圖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内含子剪接

圖3.睡蓮屬植物葉綠體基因組和線粒體基因組RNA編輯對比

來源：中國科學院昆明植物研究所

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