陸生植物葉綠體RNA編輯進化分析

萬平

（首都師范大學生命科學學院，北京 100048）

葉綠體是高等植物和藻類進行光合作用的細胞器。目前普遍認為，最早的葉綠體起源于一種真核生物吞食了一種藍細菌［1］。1991年，K?ssel等在對玉米葉綠體基因組進行測序時發現了葉綠體RNA編輯現象［2］。位于玉米rpl2基因中的一個C-U編輯將密碼子ACG轉換為 AUG，這一轉換產生出一個起始密碼子。此后不久，在煙草、胡椒和菠菜的psbL基因中也發現了類似的ACG到 AUG的密碼子轉換［3-5］。目前已知，除地錢外，葉綠體RNA編輯現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）的葉綠體中已發現了至少2 100多個RNA編輯位點。

盡管距發現葉綠體RNA編輯現象已過去了20多年，但人們對于葉綠體中RNA編輯的機理和進化過程仍知之甚少［7，8］。已發現有兩個蛋白家族：PPR和MORF可能參與RNA編輯過程［9-11］，但細節仍不清楚。

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）、所有藻類和藍細菌中卻不存在，這說明葉綠體RNA編輯并不是古老起源［6］。1993年，Covello和Gray［12］提出了關于葉綠體RNA編輯起源進化的三步模型。2006年，Tillich等［13］提出單一起源假說，認為陸生植物的RNA編輯不是各植物類群獨自獲得的，而是單一起源的。

本研究從氨基酸轉移概率、密碼子轉移概率、編輯位點在密碼子中的位置、編輯位點-1位置堿基出現頻率以及編輯位點+1位置堿基出現頻率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編輯位點進行分析，比較雙子葉植物葉綠體RNA編輯在密碼子轉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 數據

從NCBI的GenBank數據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 本研究所用數據

根據文獻［14］中介紹的方法，采用Perl腳本，對1 514個葉綠體RNA編輯位點進行：（1）氨基酸轉移概率、（2）密碼子轉移概率、（3）編輯位點在密碼子中出現位置概率、（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行統計顯著性檢驗。

2 結果

2.1 密碼子和氨基酸轉移概率

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

不同植物類群中密碼子轉移和氨基酸轉移種類的數目不同（圖2）。角苔、苔蘚和蕨類中，密碼子轉移種類在40種左右，而雙子葉植物中密碼子轉移種類只有16種。類似的變化趨勢也在存于氨基酸轉移種類方面：角苔、苔蘚和蕨類中，氨基酸轉移種類在23種左右，而雙子葉植物中氨基酸轉移種類只有11種。Kruskal-Wallis統計檢驗結果表明，雙子葉植物葉綠體RNA編輯在密碼子轉移和氨基酸轉移方面與角苔、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位置、編輯位點+1位和-1位堿基出現概率

在所觀察的所有植物類群中，編輯位點均在密碼子第2位出現的概率最大，在第3位出現的概率最小（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U的概率較大，出現G的概率較小（圖3），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移概率分布

圖2 植物類群中密碼子轉移和氨基酸轉移種類數目

3 討論

陸生植物葉綠體RNA編輯位點數目僅為線粒體RNA編輯位點的數目的十分之一，目前人們還不知道葉綠體RNA編輯位點數目遠少于線粒體RNA編輯位點數目的具體原因［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］。本研究發現，雙子葉植物中密碼子轉移種類的數目（16種）遠低于其他植物類群（約40種）。而在關于植物線粒體RNA編輯的研究中發現，開花植物（單子葉植物和雙子葉植物）中密碼子轉移種類的數目（分別為50和57種）遠多于其他植物類群（約35種）。

為什么雙子葉植物的葉綠體和線粒體在密碼子轉移方面的表現截然相反？盡管已發現PPR和MORF兩個蛋白家族參與RNA編輯［9］，并且PPR家族中的PLS蛋白在植物細胞器RNA編輯中起關鍵作用，但這兩個家族在雙子葉植物葉綠體和線粒體中，發揮作用的成員種類和作用機制是否相同；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位置、編輯位點+1位和-1位堿基出現概率

［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.

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［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.

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