中國植物葉綠體基因組研究顛覆學界認知

　　中國科學家一項歷時五年的研究成果顛覆了學界對植物葉綠體基因組的認知——科學家發現整個葉綠體基因組都是可以轉錄的。該研究成果已于近日發表在了《自然》出版集團的《科學報告》上。

　　《科學報告》的審稿專家一致認為,“這一成果首次發現了我們從來沒有想象過的現象,顛覆了傳統遺傳學上認為的只有葉綠體編碼基因才能轉錄以及單個基因逐一發生轉錄的看法,獲得了學界對葉綠體基因組轉錄模式的新認識,使得我們可以全面重新認識了葉綠體基因組的功能,對研究和利用葉綠體的光合作用具有非常深遠的意義。”

　　葉綠體是地球上的綠色植物通過光合作用把光能轉化為化學能、供給地球上的其它生物能量來源的細胞器。可以說,葉綠體是植物的“養料制造車間”和“能量轉換站”。對葉綠體的功能和葉綠體基因組轉錄機制的研究一直以來是全球細胞生物學家、遺傳學家和分子生物學家孜孜以求的研究熱點。

　　這項成果的發現者之一、論文通訊作者、中國科學院昆明植物研究所研究員高立志告訴記者,“我們的研究團隊歷時五年,通過對三種高等植物:水稻、玉米、擬南芥,及兩種藻類:衣藻、灰藻的葉綠體轉錄組數據進行分析,驚奇地發現了整個葉綠體基因組都能夠發生轉錄。這種葉綠體基因組的全轉錄模式意味著,轉錄不僅發生在大家熟知的葉綠體基因的編碼區,而且能發生在葉綠體基因組的所有非編碼區。”

　　“此前,學術界的觀點一直認為,植物葉綠體基因組是以多順反子操縱子的方式進行轉錄的,通俗地說,就是葉綠體基因組的多個基因組合在一起,以同一條轉錄本的形式進行轉錄,但這種轉錄模型并不能解釋葉綠體基因組的全轉錄模式以及轉錄本的多樣性與復雜性,而我們的成果徹底顛覆了這一認識,”高立志說。

　　回憶起成果發現的過程,高立志用“不可思議”來形容。那是2011年10月的一天,學生施超給高立志發來短信,說自己有一項突破性的進展和發現,高立志立馬打電話過去詢問,“我當時也不相信,覺得很不可思議,而且一直懷疑可能是受細胞核和線粒體的干擾才出現了所謂‘葉綠體全轉錄’現象,但實驗數據的無數次嚴謹到苛刻的分析才漸漸打消了我的疑云,可以放心地報道這確實是一個顛覆性的發現。”

　　正如高立志所預料的,論文投出后,審稿的過程極其漫長和艱難,專家紛紛質疑這項成果,高立志也花了大量時間和精力逐一解答學界專家的“刁鉆”提問,“畢竟這項成果是最基礎的研究發現,必將改寫教科書,所以我們的成果必須經得起各種檢驗。”高立志說。

　　在花費了一年多時間解決了專家們一次次提出的嚴苛問題后,論文終于在《科學報告》順利發表。

　　談起這項常人理解起來比較困難的研究成果,高立志很有耐心,他認為從“0到1”的基礎性工作必須有人去做,而且科學家也有向大眾科普的責任和義務。

　　高立志解釋說,所謂轉錄,是指遺傳信息由脫氧核糖核酸(DNA)變成核糖核酸(RNA)的過程。而轉錄本,是指由一個基因通過轉錄形成的一種或多種可供編碼蛋白質的成熟的信使核糖核酸(mRNA)。

　　“葉綠體起源于古代藍藻,我們用同樣的方法對藍藻基因組進行了分析,結果表明藍藻基因組也能全部轉錄,這恰恰說明葉綠體基因組全轉錄模式在植物進化的早期就已經存在,可以追溯到藍藻。”

　　基于上述發現,高立志及團隊提出了一種新的葉綠體基因組雙向啟動子多重轉錄模型。

　　“也就是說,植物葉綠體基因組幾乎能夠在任意位置發生轉錄起始和終止,從而產生了諸多長短不一的轉錄本,其中很多轉錄本包含不完整的編碼框甚至是假基因。這些轉錄本經內切酶和外切酶的作用,剪切掉不行使功能的序列,最終形成具有確切功能的轉錄本。葉綠體基因組的這種轉錄起始位點和終止位點可以隨機組合的轉錄模式,產生了若干相互重疊、長短各異的初始轉錄本,從而形成了我們所觀察到的葉綠體基因組全轉錄現象。”高立志說。

　　這項基礎性研究成果將幫助科學家進一步了解葉綠體基因組轉錄機制和表達的復雜性。專家預計,對葉綠體基因組轉錄的重新認識將對今后培育高光效的農作物、經濟作物、能源植物新品種具有重要指導意義,也將促進高效光合生物反應器的研制與改良。