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　　植物細(xì)胞中有三個相對獨(dú)立的基因組，即核基因組、葉綠體基因組和線粒體基因組，后兩者常被稱為細(xì)胞器基因組。RNA轉(zhuǎn)錄后加工，包括內(nèi)含子剪接、RNA編輯、5’和3’端成熟等在植物細(xì)胞器基因組的基因表達(dá)和調(diào)控中很常見。植物細(xì)胞器RNA編輯已有一些報道，包括無油樟（Amborella trichopoda）及鵝掌楸（Liriodendron tulipifera）的細(xì)胞器RNA編輯，但內(nèi)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(zhì)資源庫利用PacBio Sequel平臺的三代測序技術(shù)和Illumina Hiseq平臺的二代測序技術(shù)，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(xì)胞器基因組和轉(zhuǎn)錄組序列。在此基礎(chǔ)上，組裝出其完整的葉綠體基因組和線粒體基因組（圖1），隨后將全長轉(zhuǎn)錄組（Iso-seq）序列分別比對到兩個細(xì)胞器基因組，并將去除核糖體RNA策略（rRNA-）建庫（未經(jīng)多聚腺苷酸富集polyA +）的鏈特異性轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）數(shù)據(jù)（reads及Trinity組裝轉(zhuǎn)錄本）分別比對到兩個細(xì)胞器基因組，據(jù)此獲取了睡蓮屬植物細(xì)胞器基因組在轉(zhuǎn)錄后RNA加工過程（內(nèi)含子剪接及RNA編輯）的概貌。

　　基于全長轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，可以校正基于同源性的細(xì)胞器基因組注釋結(jié)果。該研究發(fā)現(xiàn)，GenBank數(shù)據(jù)庫中多數(shù)植物（包括擬南芥、水稻、無油樟等）的線粒體基因nad4-i2上下游的兩個外顯子間的邊界存在注釋錯誤。基于轉(zhuǎn)錄本比對結(jié)果，檢測到了睡蓮屬植物細(xì)胞器基因組中全部7個反式剪接內(nèi)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(jù)，以及除轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因中的內(nèi)含子以外的其它基因的全部順式內(nèi)含子的剪接證據(jù)。此外，該研究還首次檢測到了線粒體基因nad4（含三個順式剪接內(nèi)含子）的全部8種可能的內(nèi)含子剪接產(chǎn)物；反式剪接和順式剪接的發(fā)生互有先后，此結(jié)果表明，細(xì)胞器基因組的內(nèi)含子剪接是隨機(jī)發(fā)生的，沒有先后順序（圖2）。 

　　通過鏈特異性轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)直接比對后識別單核苷酸多態(tài)性（SNP calling），以及Trinity軟件組裝后的轉(zhuǎn)錄本比對相結(jié)合的方法，經(jīng)嚴(yán)格的篩選過濾，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(diǎn)。比較發(fā)現(xiàn)，兩種細(xì)胞器中RNA編輯均絕大部分發(fā)生在編碼區(qū)（其中以密碼子第二位及第一位最多），80%以上的編輯位點(diǎn)編輯效率均超過0.6，非同義編輯前后氨基酸疏水性均全部增加，編輯位點(diǎn)上游-1位剪輯均絕大多數(shù)為嘧啶（T和C），可以推斷植物中兩種細(xì)胞器基因組的RNA編輯可能有共同的起源和相同的機(jī)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(xì)胞器基因組的RNA編輯位點(diǎn)，睡蓮屬的RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目介于二者之間，三種植物葉綠體均為ndhD基因的編輯位點(diǎn)最多，線粒體均為nad4基因的編輯位點(diǎn)最多。序列比對后發(fā)現(xiàn)，除部分共有的編輯位點(diǎn)外，三個物種各有其特異性的編輯位點(diǎn)，由此可見，被子植物早期分支的RNA編輯位點(diǎn)丟失可能是物種分化后獨(dú)立發(fā)生的。 

　　細(xì)胞器基因組內(nèi)含子剪接和RNA編輯的互作分析發(fā)現(xiàn)，RNA編輯在內(nèi)含子和外顯子區(qū)同時發(fā)生，內(nèi)含子的RNA編輯對其自身的剪接至關(guān)重要。部分外顯子中靠近內(nèi)含子邊界的RNA編輯位點(diǎn)則會受到影響，研究檢測到內(nèi)含子上游7個外顯子和下游3個外顯子中的RNA編輯位點(diǎn)有此現(xiàn)象（距內(nèi)含子邊界在2bp到39bp之間），必須內(nèi)含子剪接之后才可以被編輯，但部分外顯子中靠近內(nèi)含子邊界的編輯位點(diǎn)不受內(nèi)含子剪接與否的影響（如nad4 exon3中距離前后兩個內(nèi)含子28bp和27bp的編輯位點(diǎn)）。 

　　該研究以“Organelle Genomes and Transcriptomes of Nymphaea Reveal the Interplay between Intron Splicing and RNA Editing”為題發(fā)表于生物化學(xué)和分子生物學(xué)期刊International Journal of Molecular Sciences，博士研究生賀正山為論文第一作者，樊維姝博士、李德銖研究員為論文通訊作者。該研究獲得到了中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開放研究項(xiàng)目（2017-LSF-GBOWS-02）資助。 

　　論文鏈接 

圖1 睡蓮品種黃喬伊線粒體基因組（含25kb重復(fù)）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內(nèi)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