RNA编辑在裸子植物质体基因组中演化机制的研究

RNA editing is a post-transcriptional process that, in plant genome, makes discrete nucleotide changes in mature messenger RNA, generating the alternative genetic information from their DNA templates. RNA editing has been observed in the organellar genomes of most land plants, commonly seen as a cytosine to uracil conversion (C-to-U) in mitochondrial genome. Previous researches on a few gymnosperm organellar genomes showed that the RNA editing sites change dramatically among different species. For example, Welwitschia mirabilis retains only 1/6 of the editing sites compared with Ginkgo biloba. However, it is unclear that what is the mechanism causes this phenomenon. In this project, we plan to use the comparative genomics together with the molecular biology methods to make a comprehensive and systematic analysis on RNA editing sites and their distributions in organellar genomes of the selected species from all main clades of gymnosperms. We aim to reveal the original pattern and the evolutionary path of RNA editing in gymnosperms. Furthermore, by associating the RNA editing information with genome substitution rate and intron position, we will reveal the mechanism of massive RNA editing loss in some species. In addition, this project will provide essential empirical evidence for the evolutionary theory of genome complexity.

植物基因组中的RNA编辑是指基因转录后在mRNA水平发生的核苷酸替换等修饰，从而改变DNA模板来源遗传信息的现象。RNA编辑在陆生植物质体基因组中普遍存在，尤其是线粒体基因组中发生胞嘧啶替换为尿嘧啶的编辑模式最为常见。前期通过对少数几种裸子植物的质体基因组研究表明，RNA编辑数量在不同裸子植物中差别很大，例如相比于银杏，百岁兰中预测仅有其六分之一的编辑位点，但产生这种现象的原因及机制还不清楚。本研究拟通过比较基因组学与分子生物学相结合的方法，对裸子植物中所有主要类群质体基因组的RNA编辑位点信息和分布特征进行系统分析，以阐明RNA编辑在裸子植物中的起源及演化模式。此外，本研究将关联RNA编辑频率与替代速率、内含子分布等基因组性状，以解析RNA编辑在部分类群中发生大规模丢失的发生机制。本项目的开展将为植物基因组复杂度演化理论提供可靠的实验支撑。

RNA编辑是植物细胞器基因组中常见的一种转录后修饰现象，并在一定程度上恢复DNA水平的突变并可能参与转录丰度及功能蛋白含量的调控。本课题负责人前期研究表明，百岁兰的线粒体基因组中出现RNA编辑位点大规模丢失的现象，但这种现象是只存在于买麻藤类的百岁兰中，还是在买麻藤类其他物种或其他裸子植物中也存在仍是未知。为了全面系统地分析裸子植物RNA编辑的演化过程，本研究从裸子植物4个类群中（苏铁类、银杏类、松柏类和买麻藤类），选取14个样本进行质体基因组和转录组测序。通过组装、注释叶绿体基因组，并结合转录组数据以及公共数据库的信息，鉴定了叶绿体基因组和部分线粒体基因组中的RNA编辑位点，得到了RNA编辑的类型、数量、频率和位置等信息。通过银杏和百岁兰的RNA编辑位点分析表明，在百岁兰的线粒体基因组中，RNA编辑发生了大规模丢失，叶绿体基因组中全部丢失，而这丢失现象，又与DNA水平的突变和基因的表达量密切相关。进一步研究表明，百岁兰所在的买麻藤类植物的叶绿体基因组中都存在RNA编辑位点全部丢失的现象，说明在其祖先状态就发生了丢失。裸子植物其他类群中，不同种间RNA编辑位点的保守型较低，说明不同种间的RNA编辑位点具有快速演化的特征。本项目丰富了人们对裸子植物RNA编辑位点的认识，也为种子植物的转录后修饰方面的演化研究提供了重要参考。.本项目执行过程中产生的组学数据已提交至NCBI数据库，项目号为PRJNA512946；索引号为：SRR8393180-SRR8393191。本项目执行过程中，发表SCI论文一篇，还有部分研究成果尚未发表，相关结果正在整理中。

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