睡莲属植物细胞器RNA转录后加工研究取得新进展

植物细胞中有三个相对独立的基因组 ,即核基因组、叶绿体基因组和线粒体基因组,后两者常被称为细胞器基因组。RNA转录后加工,包括内含子剪接、RNA 编辑、5’和3’端成熟等在植物细胞器基因组的基因表达和调控中很常见。植物 细胞器RNA 编辑已有一些 报道,包括 无油樟Amborella trichopoda及鹅掌楸Liriodendron tulipifera细胞器RNA 编辑,内含子剪接及其与RNA 编辑的相互作用研究较少。中国西南野生生物种质资源库 利用PacBio Sequel 平台的三代测序技术和Illumina Hiseq 平台的二代测序技术,选择被子植物基部类群 睡莲属植物品种黄 乔伊Nymphaea‘Joey Tomocik’)为研究对象,获取了其 细胞器基因组和转录组序列。在此基础上, 组装出其完整 的叶绿体基因组 和线粒体基因组(图1 ),随后将全长转录组(Iso-seq)序列 分别比对到两个细胞器基因组,将去除核糖体RNA策略(rRNA-)建库( 经多聚腺苷酸 富集polyA +) 的链特异性转录组测序(RNA-seq) 数据(reads 及Trinity组装转录本)分别比对到两个细胞器基因组,据此 取了 睡莲属植物 细胞器基因组在转录后RNA加工过程(内含子剪接及RNA编辑)的概貌。

基于全长转录组数据,可以校正基于同源性的 细胞器基因组注释结果。该 研究发现,Gen Bank 数据库中多数植物 (包括拟水稻无油樟等)线粒体基因nad4-i2上下游的 两个外显子间的 边界存在 注释错误。基于转录本比对结果, 检测到了睡莲属植物 细胞器基因组中全部7 个反式剪接内含子(叶绿体中的rps12-i1 nad1-i1 nad1-i3 nad1-i4 nad2-i2 nad5-i2 nad5-i3 )的剪接证据,以及除转运RNA 基因中的内含子以外 的其它基因的全 部顺式内含子的剪接证据。此外,该研究还首次 检测到了线粒体基因nad4(含三个顺式剪接内含子)的全部8 种可能的内含子剪接产物反式剪接和顺式剪接的发生互有先后,此 结果表明细胞器基因组的内含子剪接是随机发生的没有先后顺序(图2 )。

细胞器基因组内含子剪接和RNA 编辑的互作分析发现,RNA编辑在内含子和外显子区同时发生,内含子的RNA编辑对其自身的剪接至关重要。部分外显子中靠近内含子边界的RNA 编辑位点则会受到影响,研究检测到内含子上游7个外显子和下游3个外显子中的RNA编辑位点有此现象(距内含子边界在2bp 到39bp之间 ),须内含子剪接之后才可以被编辑但部分外显子中靠近内含子边界的编辑位点不受内含子剪接与否的影响(如nad4exon3 中距离前后两个内含子28bp和27bp的编辑位点)

该研究以“Organelle Genomes and Tranomes of NymphaeaReveal the Interplay between Intron Splicing and RNA Editing” 为题发表于生物化学和分子生物学期刊 International Journal of Molecular Sciences ,博士研究生 贺正山为论文第一作者,樊维姝博士、李德铢研究员为论文通 讯作者。该研究获得到了中国科学院重大科技基础设施开放研究项目 2017-LSF-GBOWS-02 资助

图1 睡莲品种黄乔伊线粒体基因组(含25kb重复)和叶绿体基因组的组装和注释

图2 睡莲属植物叶绿体基因组和线粒体基因组的顺式及反式内含子剪接

图3 睡莲属植物叶绿体基因组和线粒体基因组RNA编辑对比

文:贺正山

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