RNA编辑是一种能够改变遗传信息传递的RNA修饰。大多数已知的RNA编辑类型都是作为RNA修复机制发挥功能,但是这些修复型RNA编辑虽然功能重要,并不一定给生物体带来适应性优势。因为根据“允许伤害”理论,一些原本应该被自然选择清除的有害DNA突变由于RNA编辑的存在得以保留,含有这种可被RNA编辑修复的有害突变的个体相比不含有该突变的个体在进化上并不具备适应性优势。因此,RNA编辑存在的意义或其适应性优势是长期争议的问题。禾谷镰孢是引起小麦赤霉病的主要病原菌,其有性生殖产生的子囊孢子是病害发生的初侵染源,在病害流行中起着决定性作用。实验室前期在禾谷镰孢等真菌有性生殖阶段发现了A-to-I RNA编辑现象,虽然证明真菌中的这种RNA编辑并非主要作为一种修复机制发挥作用,但是发现RNA编辑能够修复禾谷镰孢中70个假基因的提前终止密码子,使其恢复编码全长蛋白的能力。这些假基因是否具有重要功能?其提前终止密码子修复(PSC)编辑是否为假基因功能所必需?PSC编辑是否具有适应性优势?为了回答上述问题,本论文综合运用分子生物学、遗传学和进化生物学手段对禾谷镰孢PSC假基因及其编辑位点的功能和适应性优势进行了系统性研究,取得的主要研究结果如下:1.21个PSC假基因在禾谷镰孢有性生殖阶段具有重要功能。利用实验室最新发布的禾谷镰孢基因组和全长转录本注释对先前鉴定的70个PSC假基因进行了矫正,去除了4个错误注释的假基因,鉴定出8个新PSC假基因,最终获得了74个可靠的PSC假基因。其中8个假基因先前已经做过敲除分析,并证明4个(PUK1、AMD1、Fg AMA1、Fg RID1)假基因对禾谷镰孢子囊成熟和子囊孢子形成具有重要作用。本论文对其余66个假基因进行了敲除分析,获得了64个的敲除突变体,2个假基因可能敲除致死,未能获得其敲除突变体。突变体表型分析表明,15个假基因在禾谷镰孢有性生殖阶段具有重要功能,其中4个假基因(PSC58、PSC64、PSC69、PSC72)的敲除突变体子囊壳发育和产囊菌丝形成方面存在严重缺陷,7个假基因(PSC07、PSC10、PSC20、PSC24、PSC27、PSC46、PSC73)的敲除突变体子囊形成和成熟存在严重缺陷,4个假基因(PSC17、PSC30、PSC37、PSC52)的敲除突变体子囊孢子形成存在严重缺陷。除psc64敲除突变体生长也存在严重缺陷外,其余敲除突变体只在有性生殖阶段存在缺陷,表明这些PSC假基因具有有性生殖阶段特异的功能。因此,禾谷镰孢74个PSC假基因中有21个在有性发育的不同时期具有重要功能。2.16个假基因的PSC编辑为其功能发挥所必需。PUK1,AMD1,Fg AMA1和Fg RID1的PSC编辑已经被证明对其功能发挥至关重要。本论文对其余17个功能重要的PSC假基因的提前终止密码子(TAG)进行了定点突变,分别构建只表达编辑前版本(TAA)和编辑后版本(TGG)的突变体。除了5个PSC假基因的编辑前突变体和野生型表型类似外,其余PSC假基因的编辑前突变体和敲除突变体表型类似,而所有PSC假基因的编辑后突变体都和野生型表型一致。因此,在21个具有重要功能的假基因中有16个的PSC编辑对于其功能是必不可少的。除PSC46以外的所有对子囊形成、成熟和子囊孢子形成重要的假基因的PSC编辑都是必需的,2个(PSC58和PSC69)对子囊壳发育和产囊菌丝形成关键的假基因的PSC编辑也是必需的,表明PSC编辑对禾谷镰孢有性发育不同时期均具有关键调控作用。3.PSC编辑重要的假基因涉及响应外界环境信号刺激相关的生物过程。大多数PSC假基因编码未知功能的假定蛋白,为了解PSC编辑重要的假基因参与的生物过程,根据突变体的表型缺陷,对12个PSC假基因敲除突变体子囊壳样品进行了RNA-seq测序和差异表达基因鉴定,不同样品中鉴定的差异表达基因在326-4688个之间。有7对突变体样品间差异表达基因的重叠系数超过60%,特别是psc69和psc73突变体81%的差异表达基因与psc58突变体重叠,表明这些PSC假基因可能参与类似的生物过程。GO功能富集分析显示,跨膜转运、氧化还原相关的FAD结合和胞外分泌是这12个PSC假基因突变体差异表达基因中富集最为普遍的功能。此外,psc69和psc73突变体的差异表达基因富集细胞粘附过程,psc37、psc58、psc07和psc20突变体的差异表达基因富集核糖体Torin 1浓度生物发生过程。上述过程都与应对外界环境信号刺激有关,因此,这些PSC编辑重要的假基因很可能参与调控禾谷镰孢的环境适应性。4.PSC假基因起源于粪壳菌纲内,一半以上的提前终止密码子是由TGG(W)突变而来。为了明确PSC假基因的起源和演化,分析了74个假基因的同源基因在真菌界549个基因组中的分布,发现大部分PSC假基因的同源基因在子囊菌门,特别是粪壳菌纲(Sordariomycetes)真菌中保守存在。所有PSC假基因的提前终止密码子均是在粪壳菌纲内获得,其中58个是在镰孢属(Fusarium)内获得。有意思的是,PSC假基因的同源基因可在不同真菌类群中独立形成假基因,例如肉座菌目(Hypocreales)5个科中均在PSC33编辑位点上通过6次终止密码子突变独立形成了假基因。分析假基因终止密码子处的祖先氨基酸状态,发现55.7%的提前终止密码子TAG(*)由TGG(W)突变而来,表明大部分终止密码子突变发生在编辑位点上。由于A-to-I RNA编辑普寻找更多遍发生在粪壳菌纲真菌中,通过RNA编辑可将终止密码子恢复为氨基酸密码子,因此PSC假基因的形成符合“允许伤害”理论。进一步研究发现,57个假基因的提前终止密码子在进化过程中在部分真菌类群中发生DNA突变恢复成了氨基酸密码子,这biologic enhancement些恢复的氨基酸密码子大部分是由终止密码子TAG通过单个碱基突变产生。5.PSC编辑具有适应性优势。根据“允许伤害”理论,RNA编辑的作用仅仅是修复提前终止密码子,如果是这样,通过DNA突变也可修复,且是100%修复,RNA编辑具有一定效率,只能部分修复。因此,PSC假基因的提前终止密码子突变为氨基酸密码子的频率预期至少不低于中性突变率。同义编辑位点不影响氨基酸,其替代率大致相当于中性突变率。本论文在镰孢属尺度下比较了PSC编辑位点与同义编辑位点上的碱基替代率和信息熵,发现PSC编辑位点的碱基替代率和信息熵均显著低于同义编辑位点,且比非同义编辑位点的碱基替代率还低。在禾谷镰孢群体水平中比较也得到类似的结果。上述结果表明,PSC编辑具有适应性优势,自然选择保持编辑位点处于可编辑状态,使之不容易发生DNA突变。为了明确PSC编辑具有何种适应性优势,本论文分析了12个PSC编辑关键的假基因的编辑前和编辑后突变体在各种胁迫条件下的生长情况,发现PSC69和PSC73的编辑后突变体虽然在正常条件下生长正常,但在SDS等胁迫条件下相比野生型和编辑前突变体生长缓慢,表明编辑后的全长蛋白虽然对有性生殖重要,但对营养生长阶段应对环境胁迫不利。该结果解释了假基因形成的缘由,表明RNA编辑通过促成假基因形成,并在有性生殖阶段特异性修复假基因,实现“鱼与熊掌兼得”,而DNA突变只能实现“二者得一”。综上所述,本论文通过系统性研究禾谷镰孢74个假基因及其PSC编辑位点的功能和进化,不仅证明A-to-I RNA编辑对禾谷镰孢有性发育不同时期具有重要调控作用,而且通过充分的进化和实验证据证明修复型RNA编辑具有适应性优势,改变了传统认识。