浅述植物叶绿体RNA编辑研究进展

冯伟

摘要：植物叶绿体RNA编辑技术是一种通过编辑植物叶绿体RNA分子的序列来实现基因表达改变的方法。该技术的应用领域包括植物品种改良、重要农林作物的生产和生命科學研究。本文重点结合植物叶绿体中RNA编辑的发现和相关研究进行综述，探讨了叶绿体RNA编辑的重要意义和应用前景，为未来植物育种和保护种质资源提供新的思路和途径。

关键词：高等植物；叶绿体；RNA编辑；基因组

叶绿体RNA编辑（RNA editing）是一种在植物叶绿体中广泛存在的基因表达调控机制，在重要的生物学过程中发挥着重要的作用。叶绿体RNA编辑是通过转录和修饰叶绿体 DNA 生成的成熟mRNA，与肺炎球菌和线虫等一些细菌和动物RNA编辑机制中的相似。在植物叶绿体RNA编辑中，通过去除或替换叶绿体RNA分子上的特定碱基来改变RNA信息学特性，包括氨基酸编码方式、起始和终止密码子、剪接插入和删除等。它可以影响光合作用、呼吸链、糖代谢和其他重要生物过程，从而在植物中扮演重要角色。叶绿体RNA编辑的研究不仅有助于深入了解植物基因调控机制，也可为农业、医疗和生物技术领域提供有用的信息。通过研究叶绿体RNA编辑，可以揭示植物适应环境的分子机制，例如逆境响应和进化，为粮食作物的改良和地球生态系统的恢复提供支持[1]。1983年，首例叶绿体RNA编辑被发现——在紫杉叶绿体基因psbA中，通过转录和进一步加工生成多个mRNA序列，其中有一个序列经过复杂的修饰，催生了对RNA编辑机制的研究[2]。1986年，被称为造成RNA编辑的 “C-to-U 编辑酶” 首次被纯化出来，并被确定为一种蛋白质[3]。此后，在网状藻、苔藓、高等植物等多个植物物种中都发现了叶绿体RNA编辑。进一步的研究表明，叶绿体RNA编辑是一种共同存在于所有绿色植物类群中的基因表达调控机制[4]。在过去的几十年里，随着新技术的不断涌现和生物学领域的发展，对叶绿体RNA编辑的研究不断加深。现在，我们已经了解到许多关于叶绿体RNA编辑的重要信息，包括RNA编辑酶的类型、机制和信号，以及编辑在植物性状、进化和基因治疗中的作用。这些研究成果与技术进步为探索这一领域开辟了新的道路，使得叶绿体RNA编辑的研究成为植物生物学和分子生物学领域的一个重要热点。

1 叶绿体RNA编辑的分子机制

1.1 RNA编辑酶的种类和功能

叶绿体RNA编辑酶是一类专门介导叶绿体RNA编辑的蛋白质。经过多年的研究，已经发现了多种类型的叶绿体RNA编辑酶，包括腺苷酸脱氨酶-腺苷酸酰化酶（ADAR）、胆固醇合成调节因子（APOBEC）、聚腺苷酸合成酶（PAP）、稀有假单胞菌鸟翅状体（RARE1）、独立于光的编码器（ELI）、CCA1、ORRM1/2 等，其中ADAR是最常见的一类叶绿体RNA编辑酶。不同种类的叶绿体RNA编辑酶可以催化不同种类的碱基修饰，发挥不同的功能，例如：ADAR通过将腺嘌呤（A）转化为肝嘌呤（I）来影响叶绿体基因的翻译和转录后处理[5]。APOBEC酶可以在叶绿体 RNA上催化脱氨酶作用，从而引入C-to-U编辑，影响mRNA翻译和稳定性。PAP酶在催化mRNA翻译时，引入腺苷酸位点，增加叶绿体mRNA的稳定性。ELI酶不仅可以催化叶绿体mRNA编辑，还可以抑制转录起始位置。最近的研究还揭示了叶绿体RNA编辑酶在植物进化、生长发育、环境应答等方面发挥作用的机制，这些研究为我们更好地理解叶绿体RNA编辑的调控机制提供了新的视角[6]。

1.2 RNA编辑在叶绿体中的信号

叶绿体RNA编辑是一个高度调控的过程，它受到多种内部和外部信号的影响。许多叶绿体RNA编辑位点周围存在特殊的信号序列，这些序列中可以包含储能元件、UTR区域（非编码区）中的RNA二级结构以及不同的转录因子结合位点，这些序列提供了叶绿体RNA编辑的调节机制。光合作用是叶绿体最重要的生理过程之一，所以许多叶绿体RNA编辑调控过程与光合作用有关，包括光调节酶和光合作用基因的编码。逆境刺激可以影响叶绿体RNA编辑的水平，例如盐胁迫、温度胁迫和光胁迫等，这种环境应激可以改变RNA编辑酶的表达水平和 RNA编辑位点的分布。叶绿体RNA编辑还和植物的基因表达变化密切相关。例如，研究表明在植物生长和分化过程中，叶绿体RNA编辑可以在不同时期表达，从而调节基因表达和细胞发育。总之，叶绿体RNA编辑是一个复杂的过程，受到多个内部和外部信号的影响[7]。

2 叶绿体RNA编辑对植物的影响

2.1 叶绿体RNA编辑对植物生长发育的影响

叶绿体RNA编辑可以通过调节基因表达、促进蛋白质稳定性等多种机制影响植物的生长和发育。研究表明，叶绿体RNA编辑可以调节许多植物基因的表达，如拟南芥的葡萄糖-6-磷酸去氢酶基因和芜菁的神经酰胺合酶基因。这些基因在植物的生长和发育中起着重要的作用。叶绿体是植物进行光合作用的主要场所，叶绿体RNA编辑可以影响光合作用的效率和蛋白质稳定性，从而影响植物的生长和发育[8]。例如，Kre6和psbA是拟南芥中光合作用的关键基因，它们通过叶绿体RNA编辑来调节植物的光合效率。逆境条件下，叶绿体RNA编辑可以通过调节能量代谢和逆境响应基因的表达来帮助植物适应环境变化。叶绿体RNA 编辑还可以通过多种机制影响植物的基因表达和蛋白质稳定性。在高温逆境下，植物的叶绿体RNA编辑量会显著增加，尤其是在与氧化磷酸化途径相关的NADP-依赖性异构酶生物合成途径中的编辑更为显著。此外，编辑型异构酶在高温逆境下能发挥重要的适应性作用，从而调控植物的表现能力。研究发现，高温逆境下，某些特定的基因会发生错误编辑。通过对比野生型和基因编辑型植株，在一定程度上发现了逆境下植物RNA编辑靶点的显著变化。例如，对拟南芥的研究表明，在金属离子与热胁迫同时存在的环境下，叶绿体RNA编辑机制中的基因表达能够得到更为精细地调节，从而加强植物对环境的适应性。其次，在光合逆境下，叶绿体RNA编辑酶则可能通过调节光合作用水平来调节植物的光合逆境应答。例如，降低基因体中RNA编辑酶的表达会降低植物叶绿体NDH（I）家族基因的编辑力度和光电位感应响应，从而降低植物的光合效率，造成明显的光合负荷应答。

2.2 叶绿体RNA编辑与植物基因组演化的关系

叶绿体RNA编辑是一种在线粒体或叶绿体中发生的后转录修改机制，它会改变RNA序列的碱基组成，从而导致蛋白质翻译产生变化。这种转录后修饰机制不仅在进化过程中扮演了重要角色，而且对于植物基因组演化也具有重要作用[4]。目前，研究表明叶绿体RNA编辑对植物基因组演化有以下影响：

（1）基因家族扩张

在进化途径中，叶绿体RNA编辑可以导致一些基因的家族扩张和多样性增加。比如说，拟南芥中的RRM基因家族就是一个例子，其中的一些成员就是由于RNA编辑导致的蛋白质序列变异而形成的。这表明，叶绿体RNA编辑机制能够催生出更多具有新功能的基因类型，从而促进物种的多样性和进化的速度[9]。

（2）基因组结构的演化

植物物种中，叶绿体RNA编辑的程度和方法的不同会导致基因组结构的差异。许多植物拥有双重DNA，即核基因组和细胞质基因组，核基因组遵循孟德尔遗传规律，而细胞质基因组则由母本承传。研究发现，叶绿体RNA编辑可以约束叶绿体基因组的大小和结构，促进基因组演化与进化的方向。

（3）跨物种比较和分析

基于叶绿体RNA编辑技术的研究还可以为植物基因组的比较和演化分析提供重要参考。通过对比物种间的RNA编辑位点，可以进一步了解不同物种之间的亲缘关系和进化关系。

3 叶绿体RNA编辑的研究方法

叶绿体RNA编辑是一种重要的基因表达调控机制，在植物的逆境应答和进化过程中扮演着关键的角色。因此，为了深入探究叶绿体RNA编辑的机制和生物学意义，需要采用一系列的实验技术和分析方法。RNA测序技术是一种高通量技术，可以大规模地检测和分析RNA编辑水平[10]。RNA测序技术的原理在于将RNA转录成cDNA，并通过测序仪进行测序和分析，从而识别编辑位点并计算编辑丰度。通过RNA测序技术，可以全面评估植物叶绿体RNA编辑的水平和丰度，进一步了解叶绿体RNA编辑在植物的发育、逆境响应和进化过程中的意义。基因编辑技术是一种直接研究叶绿体RNA编辑机制的方法。在基因编辑技术中，可以使用CRISPR/Cas9等基因编辑系统对特定编辑位点进行精确编辑，从而评估组成和表达基因的差异。基因编辑技术广泛应用于研究叶绿体RNA编辑对蛋白分子结构、功能和表达的影响，从而揭示叶绿体RNA编辑的生物学意义。总的来说，叶绿体RNA编辑的研究方法涉及多种技术和手段。这些方法可以从不同的侧面揭示叶绿体RNA编辑的机制和生物学意义，为植物生长发育和进化提供重要的理论基础。未来，叶绿体RNA编辑的研究方法和技术将继续不断创新和完善，以更好地揭示其在植物生物學中的作用和意义。

4 叶绿体RNA编辑的意义和应用

RNA编辑是转录后的基因表达调控，通过改变RNA序列的碱基组成，进而改变蛋白质序列的变异和转录后的基因功能调控。由此可见，叶绿体RNA编辑可以在植物自身维持基因功能的同时，还可以改变基因的表达模式，进而调节植物的生长与发育、逆境应答等生理过程[11]。另外，通过RNA编辑，植物可以产生新的基因类型和多样性，进一步促进物种的进化。由于叶绿体RNA编辑可以突破中央法则，在某种程度上可以说植物叶绿体具有自身独立的遗传系统。因此，该机制可以拓展我们对生物遗传学和基因调控的认识和理解。这对于我们进一步理解植物的生物学意义。叶绿体RNA编辑在植物育种改良中也具有非常广泛的应用前景。通过对叶绿体RNA编辑进行调控，可以更好地改良植物抗御外部环境压力的情况。例如，可通过调节拟南芥叶绿体RNA编辑所编码的基因，提高该植物的耐机械伤害能力和耐旱程度。通过这种方式，可以减少植物生长过程中受灾率，增加产量等[12]。

5 结论和展望

植物叶绿体RNA编辑技术具有重要的研究和应用价值，将在植物生物学、遗传学、农业生产等领域产生深远的影响。该技术的应用前景广泛，为未来植物育种和保护种质资源提供了新的思路和途径。未来叶绿体RNA编辑技术可以通过提高编辑效率和精度、开发新的编辑因子和工具、拓展编辑的目标和应用范围以及加强创新探索等方面实现更大的突破和创新。同时也可应用于生物治疗、生物安全和环境修复等领域。

参考文献

[1] Benne R，Van Den Burg J，Brakenhoff J P，etal.Major transcript of the frameshifted coxll gene from trypanosome mitochondria contains [J].four nucleotides that are not encoded in the DNA.Cell，1986，46（6）：819-826.

[2] Sommer B，Köhler M，Sprengel R，etal.RNA editing in brain controls a determinant of ion flow in glutamate-gated channels[J].Cell 1991，67（1）：11-19.

[3] 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（3）：90-95.

[4] 陈倩，刘石锋，洪广成，等.植物线粒体RNA编辑调控研究进展[J].分子植物育种，2019，17（3）：869-876.

[5] Small I D，Schallenberg-Rüdinger M，Takenaka M，etal.Plant organellar RNA editing：what 30 years of research has revealed.[J].The Plant Journal，2020，101（5）：1040-1056.

[6] 朱琳，鲜凤君，张倩楠，等.RNA编辑的研究进展[J].生物技术通报，2022，38（1）：1-14.

[7] 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（3）：90-95.

[8] 马艳莉，俞嘉宁.高等植物叶绿体RNA编辑研究进展[J].生命科学，2009，21（3）：438-443.

[9] 马红战，张保军，樊虎玲.大麦叶绿体基因RNA编辑位点的预测与鉴定[J].麦类作物学报，2013，33（6）：1071-1077.

[10] 朱琳，鲜凤君，张倩楠，等.RNA编辑的研究进展[J].生物技术通报，2022，38（1）：1-14.

[11] 周迪，聂小军，苏秀娟.薰衣草叶绿体RNA编辑位点的预测与分析[J].分子植物育种，2022，20（8）：2517-2525.

[12] 于惠敏.植物的叶绿体基因组[J].植物生理学通讯，2001（5）：483-488.