全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 27(1)：114— 120 2007年 1月
与烟草细胞质雄性不育相关的线粒体
基因 atp9的 mRNA研究
周 玮1，2*，刘齐元2，3*，陈雪峰2，刘飞虎2，曹 槐2，刘次全2，4一
(1．湖南农业大学 生物安全科学技术学院，长沙 410128；2．云南大学 生命科学学院，昆明 650091；
3．江西农业大学 农学院，南昌 330045；4．中国科学院 昆明动物研究所，昆明 650223)
摘 要；已知导入未编辑 atp9 mRNA的烟草表现细胞质雄性不育(CMS)，因此认为线粒体基因 atp9是引起高
等植物 CMS的主要基因。为了解 atp9在 CMS中的作用机制，从 3对烟草不育系及其同型保持系中提取 atp9，
利用实验与理论结合来分析其 mRNA在编辑前后以及在不育系及其同型保持系中的一维、三维信息差别。结
果表明，atp9 mRNA一维信息方面的差异，更重要的是二级结构的差异和稳定性，可能是影响 ATP合成而导致
CMS的根本原因。
关键词：atp9；细胞质雄性不育 ；mRNA二级结构；烟草
中图分类号：Q943 文献标识码 ：A 文章编号：1o0o-3142(2o07)O1—0114—07
Studies on atp9 mRNA related to cytoplasmic
male sterility in tobacco
ZHOU Wei ， ，LIU Qi-Yuan2，3*，CHEN Xue-Feng2，
LIU Fei-HU2，CAO Huai2，LIU Ci-Quan2，4
(1．Colege ofBio-safty Science and Technology，HunanAgricultural University，Changsha 410128，China；2．CollegeofLife
Sciences，Yunnan University，Kunming 650091，CNna；3．Colege ofAg~nomy college，JiangxiAgricultural University，
Nanchang 330045，China；4．Kunming Institute of Zoology，The Chinese Academy of Sciences，Kunming 650223，China)
Aiztract：It was reported that the transgenie tobacco plants transformed with an unedited copy of the mitoehondrial
atp9 gene exhibited the trait of the cytoplasmic male sterility(CⅣ【s)phenotype．Therefore，it was believed that atp9
gene functioned as a dominant gene on CMS in higher plants．To understand the CMS meehamsm caus~ by unedited
form of atp9 deeper，atp9 gene was cloned from three sterile tobacco lines and their isogenie fertile lines．The differ-
ences in one-or three-dimens ional informa tion between unedited states and edited ones ，or between sterility and fertili—
ty were analyzed．The results suggested that the differences in one-dimens iona l sequences，especialy in secondary
structures and their stabilities might possibly be the underlying reason resulting in CMS because of afeeting A]rP
synthesis．
Key words：atp9；cytoplasmic ma le sterility；mRNA secondary structure；Nicotiana tabacum
收稿 日期：2005-04-11 修回日期：2005-12-23
基金项目；国家自然科学基金(30160036)；云南省农业生物技术重点实验室开放项目 (2003E01)[Supported by the National Natural
Science Foundation of China(30160036)；Open Foundation of Yunnan Key Laboratory of Agricuhural Biological Technology(2003E01)]
作者简介：周玮(1977-)，女，湖南永顺县人，博士 ，主要从事生物信息学、植物生理生化、遗传育种 ，(E-mail)mengrzhou@163．corn。
共同作者(Coauthor)
一通讯作者(Author for correspondelice，E-mail；liucq@ynu．edu．ca)
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1期 周玮等：与烟草细胞质雄性不育相关的线粒体基因atp9的mRNA研究 115
大多数高等植物是两性的，雄性不育普遍被认为
是发育过程中的意外事件。植物雄性不育最常见的
是细胞质雄性不育(CMS)，它在雌花两性花异株(或
雌全异株)种类的进化中起到积极作用(Budar等，
2001)。CMS在高等植物界普遍存在，系细胞质基 因
与细胞核基因相互作用的结果，由于线粒体功能紊乱
导致花粉发育遭到破坏 (凌杏元等，2000；He等，
1996；季静等 ，1998)。CMS烟草表现出雄蕊花丝变
短、花粉囊枯皱等特征(Bergman等，2000)。
有研究认为，可能是由于某个基因或多个基因产
物干扰了线粒体 F(O)F(1)一ATP合成酶的功能或合
成，从而削弱和影响高耗能的花粉发育过程(Dieterich
等，2003)。植物线粒体内膜上的ATP合成酶在能量
产物的形成过程中起重要作用，由 F(O)和 F(1)两部
分构成。在F(O)F(1)一ATP复合体中，已知的9个亚
基已全部被鉴定。F(O)部分是酶蛋白的膜内区域，具
有质子跨膜传输功能 ，共有 4个不 同的亚基：od25、
odB、亚基 9和亚基 6；F(1)部分是酶蛋白的膜外区
域，具有催化 ATP合成的功能，包括 5个不同的亚
基：a，p， ，艿，￡。大量研究表明od25、odB、亚基 9和
亚基 6都可能与植物 CMS有关(李大东等，1990；Sa—
bar等 ，2003；Heazlewood等，2003)。
RNA的编辑及 cMS是与高等植物线粒体有关
的两个重要现象(Howad等，1999)。Hernould等人
的一系列研究使这两种现象紧密联系起来。他们的
研究显示，将未编辑的线粒体 atp9基因的转录本导
人烟草后，花粉囊畸形导致花粉败育，并且由此引起
的CMS性状能够稳定遗传给后代。而编辑过的atp9
基因表达后没有出现 CMS现象，因此认为未编辑的
atp9基因的表达与 CMS的形成有关 。此外，进一步
的研究还清楚地表明，通过反义 RNA来抑制导人烟
草体内未编辑的atp9基因的表达可以使烟草的育性
恢复。从而认为未编辑的atp9基因可能是通过线粒
体能量转换过程中的ATP合成酶亚基 9作用而成为
CMS的关键 因子 (Hernould等，1993，1998；Zabaleta
等，1996)。
线粒体中atp9 mRNA编辑与否同烟草 CMS的
关系已被证实。那么作为 CMS相关基因的atp9，它
的mRNA在烟草不育系及其同型保持系中的差异是
否与atp9 mRNA编辑前后的差异相似，并成为导致
CMS的关键因子引起了我们的极大兴趣。鉴于以上
原因，我们试图在实验提取和一维信息对比的基础
上，结合理论方法预测二级结构来分析不育系及其同
型保持系中atp9编码区的转录本在 mRNA序列、3一
核苷酸模式、氨基酸和二级结构方面的差异。通过比
较分析 atp9 mRNA在编辑前后、不育系及其同型保
持系的序列、尤其是空间结构等方面的差异，希望了
解 atp9作为导致烟草 CMS关键因子的一维乃至三
维信息，并探讨其发挥重要功能的分子机制。CMS
是一个复杂的生物学现象，且具有重要的经济价值，
关于CMS的探究无论对这种生物现象本身意义重
大，还是对涉及核质互作、线粒体半 自主遗传系统等
研究都具有重要的作用。
1 材料和方法
1．1材料
(1)栽培普通烟草(Nicotiana tabacum)线粒体中
未编辑的 atp9 mRNA(uned-atp9 mRNA)和编辑的
atp9 mRNA(ed-atp9 mRNA)(Hernould等 ，1992)；
(2)烟 草 CMS系 云 烟 85 atp9 mRNA(MS85-atp9
mRNA)及其 同型保持系云烟 85 atp9 mRNA(85一
atp9 mRNA)；(3)烟 草 CMS 系 03 atp9 mRNA
(MS03-atp9 mRNA)及其同型保持系03 atp9 mRNA
(03-atp9 mRNA)；(4)烟 草 CMS系 31 atp9 mRNA
(MS31-atp9 mRNA)及其同型保持系31 atp9 mRNA
(3 1一atp9 mRNA)。
1．2方法
分离克隆材料(2)～(4)中的 atp9基因，并进行
DNA序列测定；根据 Watson-Crick碱基配对原则，把
测定的DNA编码区序列转录成对应的未编辑 mR-
NA序列；并根据 ed-atp9 mRNA提供的编辑位点，对
不育系及其同型保持系中未编辑 mRNA序列进行编
辑位点替换，从而推测出材料(2)～(4)中的ecl-atp9
mRNA序列。先用 DNASIS方法比较 atp9编辑前
后、不育系及其同型保持系中ed-atp9 mRNA的序列
差异。再对各 mRNA序列作 3一核苷酸模式的提取分
析，根据密码子一氨基酸的指配关系找出对应于各密
码子的氨基酸类型，比较 atp9编辑前后、不育系及其
同型保持系中ed-atp9 mRNA的 3一核苷酸模式和编
码的氨基酸差异 。最后利用 RNAstructure version 4．
1程序预测各mRNA编码区序列的二级结构，从所获
得的mRNA二级结构中选出具有最小自由能的二级
结构，并用我们 自己的 RNA studio程序(Zhang等，
2002)调整成2D图像，然后统计出二级结构中的结构
单元数，比较 atp9编辑前后、不育系及其同型保持系
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l16 广 西 植 物 27卷
中ed-atp9 mRNA的二级结构差异。
2 结果
2．1 atp9 mRNA在编辑前后、不育系及其同型保持 系
中序列的差异
测序结果表 明(图 1)，3对材料 (85一atp9和
MS85一atp9、03-atp9 和 MS03一atp9、31一atp9 和
MS31-atp9)的 DNA 编 码 区 的 核 苷 酸 长 度 均 为
234nt。不育系及其同型保持系中的atp9要经过编
辑后才能继续它们的信息流传递，因此按照 Hemould
等人提供的编辑位点，把我们测序所得的DNA序列
替换为编辑后的 mRNA序列。由于 3个保持系的
ed—atp9
un8d—atp9
MS85-atp9
MSO3-atp9
MS31-atp9
ed-atp9
un8d—atp9
MS85-atp9
MSO3-atp9
MS31-atp9
1
AUGUUAGAAG
AUGUUAG从 G
AUGUUAG从 G
AUGUUAG从 G
AUGUUAGAAG
61
GCUAUCGGUA
GCUAUCGGUA
GCUAUCGGUA
GCUAUCGGUA
GCUAUCGGUA
121
ed—ato9 UUGG
un8d—ato9 UUGG
MS85-atp9 UUGG
MSO3-atp9 UU-GG
MS31-atp9 UUgG
1 81
ed—at,a9
uned-atp9
MS85-atp9
MSO3-atp9
MS31-atp9
GUGCAAAAUO
GUGCAAAAU~
GUGCAAAAU ~
GUGCAAAAUU
GUGCAAAAUU
UUGGAAACGU
UUGGA从 CGU
UUGGA从 CGU
UUGGAAACGU
UUGGAAACGU
C 从 UUAUUUGG
C 从 UUAUUUGG
C 从 UUAUUUGG
C 从 UUAUUUGG
C 从 UUAUUUGG
UOGUUUGCCC
UCGUUUGCCC
g
UCGUUUGCCC
UOGUUUGCCC
UUGUUUGCCC
UAAUGAUGGC
UGAUGGC
UGAUGGC
UGAUGGC
UGAUGGC
ed-atp9 mRNA序列与 Hemould等人测定的ed-atp9
mRNA序列完全一致，因此统一使用 ed-atp9 mRNA
作为保持系参照。各条 mRNA序列对比后的结果
(图 1，表 1)显示 ，ed-atp9有 1O个编辑位点且全部为
碱基 C(MS)一U的替换；值得注意的是，由于223位
碱基 C被 U替换，造成 CAA—UAA，从而使终止子
提前出现，导致编辑后的序列长度缩短为 225nt；不育
系及其同型保持系 mRNA的序列差异主要表现为，
MS85-atp9与 85-atp9间仅有 1个位点发生改变，即
126位碱基由 A—U(MS)；MS03一atp9与 03一atp9间
有 2个位点发生改变，即 126位碱基由A U(MS)与
215位碱基 由 U--,-C(MS)；MS31一atp9与 31-atp9间
有 3个位点发生改变，即53位碱基由G+U(MS)、
从 UGGGUGCA
AAUGGGUGCA
AAUGGGUGCA
AAUGGGUGCA
AAUGGGUGCA
GGAGCUGCUA
GGAGCUGCUA
GGAGCUGCUA
GGAGCUGCUA
GGAGCUGCUA
CAAUUGCUUU
CAAUUGCUUC
C从 UUGCUUC
C从 UUGCUUU
CAAUUGCUUU
GUUCU UBGAUUCAUU CCGUGGCGCG
GUUC~UCGAUUCAUU CCGUGGCGCG
GUUCC UCGAUUCAUU CCGUGGCGCG
GUUCU UUGAUUCAUU CCGUGGCGCG
GUUCU UUGAUUCAUU CCGUGGCGCG
UUAUGCCAUU
UUAUGCCAUU
UUAUGCCAUU
UUAUGCCAUU
UUAUGCCAUU
UUGGGCUUUG
UUGGGCUUUG
p
UUGGGCUUUG
。
UUGGGCUUUG
UUGGGCU~UG
CUCUAACCGA
CUCUAACCGA
CUCUAACCGA
CUCUAACCGA
CUCUAACCGA
CUUUUUGAUC UtJAUUCGUAU UCU从 GUCCG
CUUUUUGAUC UCAUUCGUAU UCGAAGUCCG
E
CUUUUUGAUC UCAUUCGUAU UCC从 GUCCG
J
CUUUUUGAUC UUAUCCGUAU UCUAAGUCCG
^
CUUUUUGAUC UUAUUCGUAU UCUAAGUCCG
60
AGCGGGAGCU
AGCGGGAGCU
AGCGGGAGCU
AGCGGGAGCU
AGUGGGAGCU
120
A从 UCCAUCA
AM UCCAUCA
A从 UCCAUCA
A从 UCCAUCA
AM UCcAUcA
1 80
AGCUAUUGCA
AGCUAUUGCA
AGCUAUUGCA
AGCUAUUGcA
AGCUAUUGCA
234
UUAG
UUAG
UUAG
UUAG
UUAG
图 1 烟草育性相关基因atp9编码区的mRNA序列在编辑前后及在烟草品系 MS85、85、MS03、03、MS31、31中的比较
Fig．1 Comparison of the coding regions of atp9 mRNA between unedited states and edited ones，
lines MS85 and 85，lines MS03 and 03，or lines MS31 and 31 in tobacco
123位碱基由G+U(MS)、158位碱基由U—A(MS)。
2．2 atp9 mRNA在编辑前后、不育系及其同型保持系
中3-核苷酸模式的差异
atp9在编辑前后和不育系及其同型保持系中的
3一核苷酸模式使用频率上存在差异，其差异统计结果
如表 2所示。由于存在 1O个编辑位点，ed-atp9编辑
后的3一核苷酸模式使用频率差异较显著，分别体现在
( 兀 、UCG、( A 、CCA、GUC、GUU、UAA、UCA、
UCC、UCU、CUA、UUA、UUG、I兀兀 共 14种 3一核苷
酸模式上 ；MS85-atp9与 85一atp9在 GCA和 GCU的
3一核苷酸模式使用频率存在差异；MS03一atp9与 O3一
atp9在 UCC、UUC、GCA和aCU共 4种 3一核苷酸模
A A A A A
U U U U U 岫霎 盎 曲
A A A A A
A A A A A
A A A A A 辩 U¨鬻H C C C C C
A A A A
队 。
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1期 周玮等：与烟草细胞质雄性不育相关的线粒体基因atp9的mRNA研究 117
式使用频率存 在差异；MS31一atp9与 31一atp9在
GUG、UAU、CW_G、UUG和 I兀『I 共 5种 3一核苷酸模
式使用频率存在差异。其 中 MS85一atp9及其 85一
atp9、MSO3一atp9及其 03一atp9间有 2种 3一核苷酸模
式(GCA and GCU)的类型及数量差异完全相同。
表 l烟草育性相关基因 atp9的 mRNA序列在编辑前后及
在烟草品系 MS85、85、MS03、03、MS31、31中的位点差异
Table 1 The differences of loci of atp9 mRNA between
I】nedited states and edited ones。lines M S85 and 85，lines
MS03 and 03，or lines MS31 and 31 in tobacco
斜体表示编辑位点，正体表示差异位点．下划线 +粗体表示与
ed-atp9比较存在差异。下同。
The italic forms denoted editing sites l the normal forms denoted
different sites；and the underlined and bold-heed forils denoted that
there were differences in nucleotides comparing with ed-atp9．The
same as follows．
2．3 atp9 mRNA在编辑前后、不育系及其同型保持系
中编码氨基酸的差异
mRNA所包含的核苷酸序列通过三联体密码子
决定了蛋白质的氨基酸类型和排列顺序。atp9 mR-
NA在编辑前后、不育系及其同型保持系中所编码的
氨基酸也存在着如表 3所示的差异。与 3一核苷酸模
式使用频率相似，ed-atp9 mRNA在编辑后所编码的
氨基酸频率差异也较显著，分别体现在 Gln、Pro、
Arg、Val、Ser、Phe和 Leu这 7种氨基酸上；MS85一
atp9与 85一atp9的 mRNA序列间仅有一个碱基改
变，且作为第三位密码子使 3一核苷酸模式使用频率相
异，但所编码的氨基酸完全相同；MSo3一atp9与 03一
atp9间在Ser和 Phe 2种氨基酸的编码频率上存在
差异；MS31一atp9与 31-atp9间 在 Tyr、Val、Leu和
Ala 4种氨基酸的编码频率上存在差异。
2．4 atp9 mRNA在编辑前后、不育系及其同型保持系
中二级结构的差异
RNA二级结构是 Watson-Crick配对区及其未配
对区的二维表现，一般认为由6种二级结构元素组
成：双链螺旋区、单链区、发夹、膨胀环、内环和分支环
(Batey等，1999；刘次全等，2000)。分别将 4对材料
的mRNA编码区序列折叠成二级结构，如图2所示，
ed-atp9 mR NA的二级结构在编辑后变化非常显著，
而MS85一atp9、MS03一atp9的结构变化部位正好位于
被替换的 126位碱基附近，MS31-atp9的二级结构变
化也非常显著。
表 2 烟草育性相关基因 atp9的 mRNA序列在
编辑前后及在烟草品系 MS85、85、MS03、03、
MS31、31中的 3·核苷酸模式频率差异
Table 2 The differences of 3-nucleotide sequence modes
of atp9 mRNA between unedited states and edited
ones，lines MS85 and 85，lines M S03 and 03，
or lines M S31 and 31 in tobacco
MS31-atp9 mRNA序列第 123位核苷酸由G+u。导致 3一核苷酸模
式由uuG+uuu；而第 158位核苷酸由u—A。导致 3一核苷酸模式由
uuu—uAu。所以最后综合的统计结果显示 UUU的使用频率未
变。这正是因为中间出现一增一减互补的结果。
For MS31-atp9 mRNA。the transition at position 123(G+ U)resulted
in the change of 3-nudeofide sequence mode from UUG to UUU；Mean—
while，the transition at po sition 158(U—’A)resulted in the change of 3一
nudeotide sequence mode from UUU tO UAU．There．fore。the finaly re-
atilt showedtha tthe number ofUUU did not vary．
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118 广 西 植 物 27卷
4对材料 atp9的mRNA编码区二级结构单元，
分类统计结果如表 4所示。未编辑时翻译区核苷酸
数 目相同，但编辑后 由于终止子提前产生 ，编码 区数
目减少了9个核苷酸。导致不育的uned-atp9螺旋区
有 138个碱基、单链 区有 96个碱基，而 MS85和
MS03中双链区碱基数目减少为 126个，单链区碱基
数目增加到99个，MS31螺旋区及单链区碱基数则与
保持系一致。uned-atp9、MS85一atp9,MS03一atp9的
发夹数 与 ed-atp9一 致，MS31一atp9则 增加 1个 发
夹。热力学研究表明含 4或 5个核苷酸的发夹环是
最稳定的(刘次全等，2000)，uned-atp9中减少 1个 4
核苷酸发夹环 (核苷酸 组成 为 5r_UUCU-3 )，而
MS31一atp9中减少 2个(核苷酸组成为 5-UUCU-3
及 5，_叫 AU-3 )，但增加 1个 5核苷酸发夹环 (核苷
酸 组 成 为 5r_UUCAU-3 )。相 对 于 ed-atp9，uned-
atp9增加3个膨胀环及 1个对称内环；MS31一atp9的
膨胀环数量不变，增加 1个对称内环的同时减少 1个
非对称内环；其它 2个不育系的膨胀环和内环数量均
表 3 烟草育性相关基因 atp9的 mRNA在编
辑前后及在烟草品系 MS85、85、Mso3、03、
M$31、31中编码的氨基酸差异
Table 3 The differences of amino acid of atp9 mRNA
between unedited states and edited ones，lines M S85 and
85，lines MSO3 and 03，or lines M S31 and 31 in tobacco
Amino ed- uTled- M S85一 MS03一 MS31一
acid atp9 atp9 atp9 atp9 atp9
Energy=·58 2 kcal／mol
MS85-atp9
Energy=*58 5 kcal／mol Energy=·58 5 kcal／mol
ed-atp9 j·atp9
Energy一·58 5 kcal／mol
jI-atp9
图 2 uned-atp9和 ed-atp9、MS85-atp9和 85-atp9、MSO3-atp9和 03-atp9、MS31-atp9和 31-atp9的 mRNA二级结
构。上排 4个为与烟草 CMS相关 的 mRNA二级结构 ，下排对应为保持系的 mRNA二级结构。相对于 ed-atp9，与
CMS相关的mRNA二级结构中改变的碱基被放大，深色部分表示碱基改变导致的二级结构变化的区域。
Fi 2 e secondary structures of mRNA of tmed-atp9，ed-atp9，MS85一atp9，85-atp9， 3-atp9，03一atp9，MS31-atp9 and
31-atp9．Four upper secondary structures of mRNA denoted the secondary structures of mRNA related to sterility in tobacco，
andfour lowex secondary structures ofmRNAdenoted the secondary structures ofmRNA related tofertilityintobacco．Compa—
ring with ed-atp9，the replaced bases were magnified ，and the cha regions of secondary structures filled deep color．
一 致。atp9具有 1个三分支环和 1个 四分支环，
Ms85与MS03与之一致，Ms31则具有 2个四分支
环，而 uned-atp9仅具 1个五分支环。
如图3所示，二级结构单元数量相对于各自序列
核苷酸数目所占的百分比非常固定，并且数量上的变
化无规律，但从二级结构上可以看出，不育系与其保
持系的改变主要涉及三个复合发夹(保持系中的复合
发夹 1，端环碱基为 5 一CA 兀『GC1 7-3 ；复合发夹 2，
端环碱基为 5LUUCU-3 ；复合发夹 3，端环碱基为 5，_
UUAU 3 )的改变。
uned-atp9 mRNA折叠结构的最小自由能相对
于ed-atp9略低，而另 3个不育系都略高。
O 2—1 1 4—4 7 n一：2一
O 1 1 1 3 5—6一 ：2
O 1 1 1 3 4 7
2 —1 2 —2 —4 —9 —6 —7 一“
O 1 1 1 3 4 7
c；j i兰
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l期 周玮等：与烟草细胞质雄性不育相关的线粒体基因atp9的 mRNA研究 119
70
60
一No 50
o、 m
蔷40 至3
20
10
0
dupIexes Si ngIe hai rPi ns buI ges i nte rna
st ra
．
nded I oops
regIonS
图 3 mRNA二级结构单元的出现频率
Fig．3 The percentage of the secondary structure motifs
3 讨论
已知有超过 150个物种的CMS是由于线粒体基
因异常编码从而阻止花粉发育(Bentolila等，2002)。
mRNA在介导细胞信息从编码 DNA的基因到功能
蛋白的传递过程中起关键作用，而 atp9 mRNA的编
辑与否确与烟草 CMS密切相关(Hemould等，1993)。
mRNA序列的比较显示，uned-atp9 mRNA序列
中的 lO个C替换为 U后就成为 ed-atp9 mRNA，并
且由于 223位碱基替换使终止子提前出现，这使得编
辑前后的差异不仅体现在编辑位点上也体现在序列
长度上。而 3对不育系及其同型保持系材料的
atp9 mRNA间的碱基差异就体现在与编辑位点不重
复的1-3个位点发生碱基改变，这些碱基改变也都涉
及了U的替换或被替换，其中不育系序列出现更多
的U代替其同型保持系相同位点的其它碱基。U的
替换频率非常高，这可能是与烟草 CMS相关的最重
要的可能一维信息。
由于编辑的缘故，uned-atp9 mRNA与 ed-atp9
mRNA问的3一核苷酸模式使用频率差异较显著，共
计有 l4种；另 3对材料分别在2种、4种、5种 3一核苷
酸模式使用频率存在差异。其中 MS85一atp9及其
85-atp9的3一核苷酸模式使用差异在 MSO3-atp9及
其 03-atp9问都有出现，uned-atp9 mRNA与 ed-atp9
mRNA、MS31-atp9及其 31-atp9问也有 2种 3一核苷
酸模式的差异完全相同，但在 4对材料中没有发现它
们之间共同的差别。
差异显著的 3一核苷酸模式使用频率导致 atp9
mRNA编辑前后氨基酸的编码频率差异也较显著，
共体现在 7种氨基酸上；MS85一atp9一与 85一atp9的
mRNA序列及 3一核苷酸模式使用频率相异，但所编
码氨基酸完全相同；另2对材料分别在2种、4种氨基
酸编码频率存在差异。虽然 MS85一atp9及其 85一
口tp9在mRNA序列及 3一核苷酸模式使用频率上都存
在差异，且它们所有的差异在 MS03一atp9及其 O3一
atp9中都存在，但这种差异并没体现在氨基酸上。
表 4 烟草育性相关基因atp9的 mRNA在编辑
前后及在烟草品系 MS85、85、MS03、03、
MS31、31中二级结构单元差异
Table 4 The differences of secondary structure motifs
of atp9 mRNA between unedited states and edited
ones，lines MS85 and 85，lines MS03 and 03，or
1ines MS3】and 3】in tobacco
二级结构单元 ed- uned-MS85一MS03一MS31一
M otifs atp9 atp9 atp9 atp9 atp9
根据以上 3项的一维比较结果，我们很难从中
寻找和判断导致烟草 CMS的原因所在。因此要了
解 RNA问的相似性或者核心问题，简单的序列比
较是不全面的，因为 RNA链还能够形成螺旋区、发
夹、膨胀环等结构(Kin等，2002)。如前所述，atp9
mRNA编辑前后的一维差异几乎没有出现在不育
系及其同型保持系之间；更有甚者，MS85一atp9与
85一atp9的 mRNA序列及 3一核苷酸模式使用频率
均不同，但由于密码子的简并特性致使所编码的氨
基酸完全相同，核苷酸的变化并未引起氨基酸的改
变。序列的改变不一定导致二级结构的改变，但二
级结构的改变肯定依赖于一维序列的改变。这些现
象提醒我们，仅仅考虑与序列相联系的线性信息是
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12O 广 西 植 物 27卷
不够的，mRNA三维结构特征应该成为一个值得考
虑的重要因素。毕竟 RNA的生物功能多样性源于
RNA是遗传信息的携带者，并且能够折叠成复杂的
三维结构从而提供化学催化位点(Batey等，1999)。
从 CMS相关基 因 atp9的 mRNA 二级结构的
比较结果看，都有不同程度的改变，其中 uned-atp9
和 MS31一atp9变化非常大，这种结构上的显著差异
也使 得二级 结构单 元差 异显 著。相 比之下 的
MS85一atp9与 MS03一atp9变化较简单，在序列方
面它们都存在 126位 A—U的碱基替换，这种变化
由于密码子的简并性并没有引起它们一维信息的改
变，但却部分地改变了 atp9 mRNA的二级结构。
而 MSO3-atp9 mRNA 215位 U—C的碱基替换引
起所编码氨基酸的改变但并不改变 mRNA的二级
结构。uned-atp9和 MS31-atp9序列中存在较多
的碱基替换，所以引起的结构变化也非常明显，但导
致终止子提前 出现的碱基替换并没有参与 atp9
mRNA二级结构的形成。从二级结构的总体上看，
保持系中的复合发夹 1、复合发夹 2和复合发夹 3
的改变可能是导致保持系丧失育性最重要的原因。
值得注意的是，atp9 mRNA二级结构的变化无论
大小，其二级结构单元始终具有非常固定的比率，这
可能是因为自然界的RNA需要保持相同的结构参
数，这些参数又与总体平衡和结构稳定性有关(Zorn
等 ，2004)。
在能力学的描述上，不育系 atp9二级结构的最
小自由能都略高或略低于保持系，这就意味着不育
系的atp9 mRNA折叠结构稳定性发生了改变。
Zabaleta等(1996)认为转基因烟草中的未编辑
atp9的表达会引起线粒体功能紊乱，进而影响花粉
囊，尤其是绒粘层细胞的正常发育，减少花粉的形
成。根据 atp9三维结构的理论分析结果，我们推测
不育系线粒体功能紊乱的原因可能与 atp9 mRNA
折叠结构(尤其是复合发夹 1-3)及其稳定性密切相
关。
即使在芸苔、向日葵、油菜、玉米等植物中已经
找到一些与 CMS相关的基因或开放阅读框，但引
起花粉败育的机制仍不清楚(Dieterieh等，2003；
Sabar等，2003；Heazlewood等，2003；Landgren等，
1996；Belaoui等，1997；Galagher等，2002；陈庆富
等，2005)。高等植物线粒体 DNA的突变、编辑或
重排似乎都能导致 CMS(Galagher等，2002；Araya
等，1998；Handa等，1992；Akagi等，1994；Kempken
等，1998)，但在一维信息改变基础上的三维信息却
一 直被忽视。本文的研究结果清晰地表 明，通过理
论预测并分析 atp9 mRNA二级结构特征来寻找
CMS的原因是一条值得探索的途径。
4 结论
未编辑的atp9 mRNA能导致烟草不育已被证
实，我们所分析的烟草不育系及其同型保持系中的
atp9确实存在差异。我们分析后认为 atp9 tuRNA
在序列、3一核苷酸模式、氨基酸等方面的一维信息的
差异，更重要的是在保持物种稳定基础上的二级结
构差异及稳定，尤其是三个重要复合发夹的改变可
能是影响线粒体 F(O)F(1)一ATP合成酶正常功能
的内在原因，从而导致 ATP合成受影响，其结果是
引起花粉败育，产生 CMS性状。
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