陆生植物叶绿体RNA编辑进化分析

万平

（首都师范大学生命科学学院，北京 100048）

叶绿体是高等植物和藻类进行光合作用的细胞器。目前普遍认为，最早的叶绿体起源于一种真核生物吞食了一种蓝细菌［1］。1991年，Kössel等在对玉米叶绿体基因组进行测序时发现了叶绿体RNA编辑现象［2］。位于玉米rpl2基因中的一个C-U编辑将密码子ACG转换为 AUG，这一转换产生出一个起始密码子。此后不久，在烟草、胡椒和菠菜的psbL基因中也发现了类似的ACG到 AUG的密码子转换［3-5］。目前已知，除地钱外，叶绿体RNA编辑现象存在于所有陆生植物中［6］。在近70种植物（包括非维管陆生植物和维管植物）的叶绿体中已发现了至少2 100多个RNA编辑位点。

尽管距发现叶绿体RNA编辑现象已过去了20多年，但人们对于叶绿体中RNA编辑的机理和进化过程仍知之甚少［7，8］。已发现有两个蛋白家族：PPR和MORF可能参与RNA编辑过程［9-11］，但细节仍不清楚。

叶绿体RNA编辑存在于所有高等植物中，但在高等植物叶绿体祖先中，即某些原始苔藓植物（如某些地钱）、所有藻类和蓝细菌中却不存在，这说明叶绿体RNA编辑并不是古老起源［6］。1993年，Covello和Gray［12］提出了关于叶绿体RNA编辑起源进化的三步模型。2006年，Tillich等［13］提出单一起源假说，认为陆生植物的RNA编辑不是各植物类群独自获得的，而是单一起源的。

本研究从氨基酸转移概率、密码子转移概率、编辑位点在密码子中的位置、编辑位点-1位置碱基出现频率以及编辑位点+1位置碱基出现频率5个方面对非维管植物（角苔和苔藓）和维管植物（蕨类和双子叶植物）叶绿体RNA编辑位点进行分析，比较双子叶植物叶绿体RNA编辑在密码子转移方面与其他陆生植物类群存在的差异。

1 材料与方法

1.1 数据

从NCBI的GenBank数据库中收集整理了非维管植物（角苔和苔藓）和维管植物（蕨类和双子叶植物）叶绿体中1514个C-U RNA编辑位点（表1）。

1.2 RNA编辑特征分析

表1 本研究所用数据

根据文献［14］中介绍的方法，采用Perl脚本，对1 514个叶绿体RNA编辑位点进行：（1）氨基酸转移概率、（2）密码子转移概率、（3）编辑位点在密码子中出现位置概率、（4）编辑位点-1位碱基组成和（5）编辑位点+1位碱基组成分析。

1.3 统计显著性检验

采用R语言（http：//www.r-project.org/）中的Kruskal-Wallis检验方法对不同植物类群间的特征差异进行统计显著性检验。

2 结果

2.1 密码子和氨基酸转移概率

RNA编辑前后密码子的种类发生转移，并导致氨基酸的种类也发生转移。在角苔、苔藓和双子叶植物中，密码子UCA>UUA的转移概率最高（对应的氨基酸转移为S>L）；而在蕨类中，密码子ACG>AUG的转移概率最高（对应的氨基酸转移为T>M），UCA>UUA的转移概率排在第2位（图1）。

不同植物类群中密码子转移和氨基酸转移种类的数目不同（图2）。角苔、苔藓和蕨类中，密码子转移种类在40种左右，而双子叶植物中密码子转移种类只有16种。类似的变化趋势也在存于氨基酸转移种类方面：角苔、苔藓和蕨类中，氨基酸转移种类在23种左右，而双子叶植物中氨基酸转移种类只有11种。Kruskal-Wallis统计检验结果表明，双子叶植物叶绿体RNA编辑在密码子转移和氨基酸转移方面与角苔、苔藓和蕨类植物存在显著差异（P值分别为和0.026 48）。

2.2 编辑位点在密码子中出现位置、编辑位点+1位和-1位碱基出现概率

在所观察的所有植物类群中，编辑位点均在密码子第2位出现的概率最大，在第3位出现的概率最小（图3），因此，RNA编辑通常改变氨基酸种类［15］。编辑位点在密码子中出现位置在各类群之间不存在显著差异（Kruskal-Wallis检验p值为 0.988 3）。

叶绿体RNA编辑位点+1位上出现A或G的概率较大（图3），各类群之间不存在显著差异（Kruskal-Wallis检验P值 0.907 4）。

叶绿体RNA编辑位点-1位上出现U的概率较大，出现G的概率较小（图3），各类群之间不存在显著差异（Kruskal-Wallis检验P值 0.995 6）。

图1 不同植物类群中密码子和氨基酸的转移概率分布

图2 植物类群中密码子转移和氨基酸转移种类数目

3 讨论

陆生植物叶绿体RNA编辑位点数目仅为线粒体RNA编辑位点的数目的十分之一，目前人们还不知道叶绿体RNA编辑位点数目远少于线粒体RNA编辑位点数目的具体原因［16］。叶绿体中所有tRNA都是由叶绿体基因组编码［17，18］。然而，在已测序的叶绿体tRNA或tRNA基因中，与密码子CUU/C （Leu），CCU/C （Pro），GCU/C（Ala） 和 CGC/A/G （Arg）互补的反密码子tRNA都不存在［19］。本研究发现，双子叶植物中密码子转移种类的数目（16种）远低于其他植物类群（约40种）。而在关于植物线粒体RNA编辑的研究中发现，开花植物（单子叶植物和双子叶植物）中密码子转移种类的数目（分别为50和57种）远多于其他植物类群（约35种）。

为什么双子叶植物的叶绿体和线粒体在密码子转移方面的表现截然相反？尽管已发现PPR和MORF两个蛋白家族参与RNA编辑［9］，并且PPR家族中的PLS蛋白在植物细胞器RNA编辑中起关键作用，但这两个家族在双子叶植物叶绿体和线粒体中，发挥作用的成员种类和作用机制是否相同；另一方面，双子叶植物叶绿体和线粒体的RNA编辑是否具有共同的起源，这些问题有待进一步深入研究。

［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.

图3 叶绿体RNA编辑位点在密码子中出现位置、编辑位点+1位和-1位碱基出现概率

［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.

［4］ Kuntz M, Camara B, et al. The psbL gene from bell pepper （Capsicum annuum）：plastid RNA editing also occurs in non-photosynthetic chromoplasts［J］. Plant Mol Biol, 1992, 20 ：1185-1188.

［5］ Bock R, Hagemann R, Kössel 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.

［6］ Freyer R, Kiefer-Meyer MC, Kössel H. Occurrence of plastid RNA editing in all major lineages of land plants［J］. PNAS, 1997, 94（12）：6285-6290.

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［8］ Fujii S, Small I. The evolution of RNA editing and pentatricopeptide repeat genes［J］. New Phytol, 2011, 191（1）：37-47.

［9］ Takenaka M, Zehrmann A, Verbitskiy D, et al. Multiple organellar RNA editing factor （MORF） family proteins are required for RNA editing in mitochondria and plastids of plants［J］. PNAS, 2012, 109（13）：5104-5109.

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［12］ Covello PS, Gray MW. On the evolution of RNA editing［J］. Trends in Genetics, 1993, 9（8）：265-268.

［13］ Tillich M, Lehwark P, et al. The evolution of chloroplast RNA editing［J］. Mol Biol Evol, 2006, 23（10）：1912-1921.

［14］ 万平. 植物线粒体和叶绿体RNA编辑的比较［J］. 生物技术通报, 2013（6）.

［15］ Gray MW, Covello PS. RNA editing in plant mitochondria and chloroplasts. FASEB, 1993, 7（1）：64-71.

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