中国科学家一项历时五年的研究成果颠覆了学界对植物叶绿体基因组的认知——科学家发现整个叶绿体基因组都是可以转录的。该研究成果已于近日发表在了《自然》出版集团的《科学报告》上。

《科学报告》的审稿专家一致认为,“这一成果首次发现了我们从来没有想象过的现象,颠覆了传统遗传学上认为的只有叶绿体编码基因才能转录以及单个基因逐一发生转录的看法,获得了学界对叶绿体基因组转录模式的新认识,使得我们可以全面重新认识了叶绿体基因组的功能,对研究和利用叶绿体的光合作用具有非常深远的意义。”

叶绿体是地球上的绿色植物通过光合作用把光能转化为化学能、供给地球上的其它生物能量来源的细胞器。可以说,叶绿体是植物的“养料制造车间”和“能量转换站”。对叶绿体的功能和叶绿体基因组转录机制的研究一直以来是全球细胞生物学家、遗传学家和分子生物学家孜孜以求的研究热点。

这项成果的发现者之一、论文通讯作者、中国科学院昆明植物研究所研究员高立志告诉记者,“我们的研究团队历时五年,通过对三种高等植物:水稻、玉米、拟南芥,及两种藻类:衣藻、灰藻的叶绿体转录组数据进行分析,惊奇地发现了整个叶绿体基因组都能够发生转录。这种叶绿体基因组的全转录模式意味着,转录不仅发生在大家熟知的叶绿体基因的编码区,而且能发生在叶绿体基因组的所有非编码区。”

“此前,学术界的观点一直认为,植物叶绿体基因组是以多顺反子操纵子的方式进行转录的,通俗地说,就是叶绿体基因组的多个基因组合在一起,以同一条转录本的形式进行转录,但这种转录模型并不能解释叶绿体基因组的全转录模式以及转录本的多样性与复杂性,而我们的成果彻底颠覆了这一认识,”高立志说。

回忆起成果发现的过程,高立志用“不可思议”来形容。那是2011年10月的一天,学生施超给高立志发来短信,说自己有一项突破性的进展和发现,高立志立马打电话过去询问,“我当时也不相信,觉得很不可思议,而且一直怀疑可能是受细胞核和线粒体的干扰才出现了所谓‘叶绿体全转录’现象,但实验数据的无数次严谨到苛刻的分析才渐渐打消了我的疑云,可以放心地报道这确实是一个颠覆性的发现。”

正如高立志所预料的,论文投出后,审稿的过程极其漫长和艰难,专家纷纷质疑这项成果,高立志也花了大量时间和精力逐一解答学界专家的“刁钻”提问,“毕竟这项成果是最基础的研究发现,必将改写教科书,所以我们的成果必须经得起各种检验。”高立志说。

在花费了一年多时间解决了专家们一次次提出的严苛问题后,论文终于在《科学报告》顺利发表。

谈起这项常人理解起来比较困难的研究成果,高立志很有耐心,他认为从“0到1”的基础性工作必须有人去做,而且科学家也有向大众科普的责任和义务。

高立志解释说,所谓转录,是指遗传信息由脱氧核糖核酸(DNA)变成核糖核酸(RNA)的过程。而转录本,是指由一个基因通过转录形成的一种或多种可供编码蛋白质的成熟的信使核糖核酸(mRNA)。

“叶绿体起源于古代蓝藻,我们用同样的方法对蓝藻基因组进行了分析,结果表明蓝藻基因组也能全部转录,这恰恰说明叶绿体基因组全转录模式在植物进化的早期就已经存在,可以追溯到蓝藻。”

基于上述发现,高立志及团队提出了一种新的叶绿体基因组双向启动子多重转录模型。

“也就是说,植物叶绿体基因组几乎能够在任意位置发生转录起始和终止,从而产生了诸多长短不一的转录本,其中很多转录本包含不完整的编码框甚至是假基因。这些转录本经内切酶和外切酶的作用,剪切掉不行使功能的序列,最终形成具有确切功能的转录本。叶绿体基因组的这种转录起始位点和终止位点可以随机组合的转录模式,产生了若干相互重叠、长短各异的初始转录本,从而形成了我们所观察到的叶绿体基因组全转录现象。”高立志说。

这项基础性研究成果将帮助科学家进一步了解叶绿体基因组转录机制和表达的复杂性。专家预计,对叶绿体基因组转录的重新认识将对今后培育高光效的农作物、经济作物、能源植物新品种具有重要指导意义,也将促进高效光合生物反应器的研制与改良。