萬(wàn)平

（首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048）

葉綠體是高等植物和藻類進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。目前普遍認(rèn)為，最早的葉綠體起源于一種真核生物吞食了一種藍(lán)細(xì)菌［1］。1991年，K?ssel等在對(duì)玉米葉綠體基因組進(jìn)行測(cè)序時(shí)發(fā)現(xiàn)了葉綠體RNA編輯現(xiàn)象［2］。位于玉米rpl2基因中的一個(gè)C-U編輯將密碼子ACG轉(zhuǎn)換為 AUG，這一轉(zhuǎn)換產(chǎn)生出一個(gè)起始密碼子。此后不久，在煙草、胡椒和菠菜的psbL基因中也發(fā)現(xiàn)了類似的ACG到 AUG的密碼子轉(zhuǎn)換［3-5］。目前已知，除地錢外，葉綠體RNA編輯現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了至少2 100多個(gè)RNA編輯位點(diǎn)。

盡管距發(fā)現(xiàn)葉綠體RNA編輯現(xiàn)象已過(guò)去了20多年，但人們對(duì)于葉綠體中RNA編輯的機(jī)理和進(jìn)化過(guò)程仍知之甚少［7，8］。已發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)蛋白家族：PPR和MORF可能參與RNA編輯過(guò)程［9-11］，但細(xì)節(jié)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(lán)細(xì)菌中卻不存在，這說(shuō)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(guān)于葉綠體RNA編輯起源進(jìn)化的三步模型。2006年，Tillich等［13］提出單一起源假說(shuō)，認(rèn)為陸生植物的RNA編輯不是各植物類群獨(dú)自獲得的，而是單一起源的。

本研究從氨基酸轉(zhuǎn)移概率、密碼子轉(zhuǎn)移概率、編輯位點(diǎn)在密碼子中的位置、編輯位點(diǎn)-1位置堿基出現(xiàn)頻率以及編輯位點(diǎn)+1位置堿基出現(xiàn)頻率5個(gè)方面對(duì)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(diǎn)進(jìn)行分析，比較雙子葉植物葉綠體RNA編輯在密碼子轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)

從NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)C-U RNA編輯位點(diǎn)（表1）。

1.2 RNA編輯特征分析

表1 本研究所用數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)［14］中介紹的方法，采用Perl腳本，對(duì)1 514個(gè)葉綠體RNA編輯位點(diǎn)進(jìn)行：（1）氨基酸轉(zhuǎn)移概率、（2）密碼子轉(zhuǎn)移概率、（3）編輯位點(diǎn)在密碼子中出現(xiàn)位置概率、（4）編輯位點(diǎn)-1位堿基組成和（5）編輯位點(diǎn)+1位堿基組成分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)

采用R語(yǔ)言（http：//www.r-project.org/）中的Kruskal-Wallis檢驗(yàn)方法對(duì)不同植物類群間的特征差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 密碼子和氨基酸轉(zhuǎn)移概率

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

不同植物類群中密碼子轉(zhuǎn)移和氨基酸轉(zhuǎn)移種類的數(shù)目不同（圖2）。角苔、苔蘚和蕨類中，密碼子轉(zhuǎn)移種類在40種左右，而雙子葉植物中密碼子轉(zhuǎn)移種類只有16種。類似的變化趨勢(shì)也在存于氨基酸轉(zhuǎn)移種類方面：角苔、苔蘚和蕨類中，氨基酸轉(zhuǎn)移種類在23種左右，而雙子葉植物中氨基酸轉(zhuǎn)移種類只有11種。Kruskal-Wallis統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，雙子葉植物葉綠體RNA編輯在密碼子轉(zhuǎn)移和氨基酸轉(zhuǎn)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(diǎn)在密碼子中出現(xiàn)位置、編輯位點(diǎn)+1位和-1位堿基出現(xiàn)概率

在所觀察的所有植物類群中，編輯位點(diǎn)均在密碼子第2位出現(xiàn)的概率最大，在第3位出現(xiàn)的概率最?。▓D3），因此，RNA編輯通常改變氨基酸種類［15］。編輯位點(diǎn)在密碼子中出現(xiàn)位置在各類群之間不存在顯著差異（Kruskal-Wallis檢驗(yàn)p值為 0.988 3）。

葉綠體RNA編輯位點(diǎn)+1位上出現(xiàn)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(yàn)P值 0.907 4）。

葉綠體RNA編輯位點(diǎn)-1位上出現(xiàn)U的概率較大，出現(xiàn)G的概率較小（圖3），各類群之間不存在顯著差異（Kruskal-Wallis檢驗(yàn)P值 0.995 6）。

圖1 不同植物類群中密碼子和氨基酸的轉(zhuǎn)移概率分布

圖2 植物類群中密碼子轉(zhuǎn)移和氨基酸轉(zhuǎn)移種類數(shù)目

3 討論

陸生植物葉綠體RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目?jī)H為線粒體RNA編輯位點(diǎn)的數(shù)目的十分之一，目前人們還不知道葉綠體RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)少于線粒體RNA編輯位點(diǎn)數(shù)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(cè)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(bǔ)的反密碼子tRNA都不存在［19］。本研究發(fā)現(xiàn)，雙子葉植物中密碼子轉(zhuǎn)移種類的數(shù)目（16種）遠(yuǎn)低于其他植物類群（約40種）。而在關(guān)于植物線粒體RNA編輯的研究中發(fā)現(xiàn)，開(kāi)花植物（單子葉植物和雙子葉植物）中密碼子轉(zhuǎn)移種類的數(shù)目（分別為50和57種）遠(yuǎn)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(zhuǎn)移方面的表現(xiàn)截然相反？盡管已發(fā)現(xiàn)PPR和MORF兩個(gè)蛋白家族參與RNA編輯［9］，并且PPR家族中的PLS蛋白在植物細(xì)胞器RNA編輯中起關(guān)鍵作用，但這兩個(gè)家族在雙子葉植物葉綠體和線粒體中，發(fā)揮作用的成員種類和作用機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。

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圖3 葉綠體RNA編輯位點(diǎn)在密碼子中出現(xiàn)位置、編輯位點(diǎn)+1位和-1位堿基出現(xiàn)概率

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