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在进化过程中，陆生植物线粒体基因组丢失了许多转运RNA (tRNA)基因，核编码tRNA的输入对线粒体蛋白质合成至关重要。相比之下，光合陆生植物的质体基因组通常拥有一套完整的tRNA基因，质体tRNA输入的存在仍然是一个长期存在的问题。早期的卷柏属维管植物表现出质体tRNA基因的广泛缺失，同时保留了光合能力，并代表了回答这个问题的理想模式。使用纯化、northern印迹杂交和高通量tRNA测序，在卷柏中进行了总tRNA和质体tRNA群体的全面分析。作者证实了所有质体tRNA基因的表达。作者观察到对应于这些质体tRNA的细胞核编码的tRNA通常被排除在叶绿体之外。然后，作者证明了约40种细胞核编码的tRNA的选择性和差异质体输入，可能弥补了质体编码的tRNA的编码能力不足。深入的分析揭示了tRNA同种解码器的差异输入，导致特定情况的识别。这包括从插入核基因组的质体或细菌类基因表达的核编码tRNA的表达和输入。总的来说作者的结果证实了分子过程的存在，使得tRNAs不仅选择性地导入线粒体，而且在必要时导入叶绿体。![]()
由于来自α-变形杆菌的线粒体和来自蓝细菌的质体的内共生起源，这些细胞器的祖先细菌基因组经历了广泛的基因丢失或基因转移到核基因组。然而，细胞器基因组的表达仍然至关重要。线粒体基因组仍然编码呼吸链的有限数量的必需亚单位。在光合陆生植物中，质体基因组编码光系统的基本亚单位。虽然两种细胞器基因组都保守了一些基因，但这两种细胞器的生物发生依赖于它们输入大部分蛋白质的能力，这些蛋白质现在是由细胞核编码的。类似地，陆地植物线粒体基因组保留了可变的和减少的转运RNA (tRNA)基因，核编码的tRNA进入植物线粒体对于补偿线粒体tRNA基因的损失是必不可少的。相比之下，一整套质体tRNA基因通常在光合陆生植物中发现，迄今为止，还没有关于核编码tRNA在第二个内共生体细胞器中输入的报道。然而，非光合作用的寄生植物，如列当科植物、菟丝子属植物或兰科植物地下兰，其质体编码的tRNAs数量减少，不足以翻译。作者假设缺失的tRNAs可以被输入到这些生物体的质体中，尽管这从未被证实。在石松植物的刺苔科家族中，卷柏属的早期维管植物是进化研究的重要模式。在非寄生性光合石松植物中，质体基因组比典型的陆生植物要小。这种大小的减少与多个基因的丢失有关，包括超过一半的必需tRNA基因。为了弥补tRNA基因的这种明显缺失，人们提出了几种假说。一种假说认为，C-to-U RNA编辑可以在反密码子处修饰trna，使它们能够阅读不同的密码子。然而，尽管卷柏细胞器有大量的C-to-U RNA编辑位点，但在质体中没有报道过，这削弱了这一假设。还证明了超摆动的使用(由于单个tRNA对第三个密码子位置的所有四个核苷酸的阅读)可以促进具有减少的tRNA组的翻译。考虑到大量缺失的质体编码的tRNA(例如，迄今研究的大多数卷柏中缺乏丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸或脯氨酸tRNA)，很难想象超摆动足以弥补卷柏中的这种不足。最后，根据作者对线粒体的了解，tRNA的输入是一个普遍的过程，最可能的假设仍然是核编码的tRNA的输入，以补充缺失的tRNA。在这里，为了验证后一种假设，作者使用了卷柏（Selaginella kraussiana）作为模型。它的质体基因组只编码11个tRNA基因，对应10个tRNA，因为tRNAAsn基因是重复的。由于高度纯化的叶绿体制备和高通量tRNA测序方法，作者的数据支持许多核编码tRNA进入这种光合植物叶绿体的差异和选择性输入。这些输入的tRNA可能是对表达的质体tRNA数量不足的补充。在输入tRNA的物种中，作者还发现了在进化过程中转移到核基因组中的质体或细菌类基因表达的tRNA。总的来说，揭示了卷柏用于维持功能性质体翻译的不同策略。![]()
图1. 南kraussiana质体包含质体编码和细胞核编码的tRNAs。(A)模式被子植物拟南芥和代表石杉目(蛇足石杉)、水韭目(水韭)和卷柏目(小翠云)的三种石松属植物中质体tRNA基因含量的概述。实心方块表示存在完整的tRNA基因序列，基因名称基于大写的单字母氨基酸代码和小写的反密码子。延伸子和起始子甲硫氨酸tRNAs分别缩写为Mcat和iMcat。(B)在此进行的实验的设计。(C)特异于质体编码的p5S rRNA、ptRNAPhe和ptRNATyr以及特异于细胞核编码的ntRNAPhe、ntRNAThr(CGT)和ntRNAAla(AGC)的探针与总RNA(T)或质体RNA（P）的northern印迹杂交。对于每个tRNA，观察到的定位显示在右侧.
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图2.核编码的tRNAs广泛和不同地输入到小翠云的质体中。用mim-tRNAseq对来自质体和细胞核部分的tRNAs进行测序和分析，并用DESeq2获得log2倍变化(质体/总)。仅显示基础平均值> 100、总分数中平均读数> 10且Padj<0.05的tRNAs。
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图3.导入质体的细胞核编码的tRNAs具有不同的遗传来源。
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图4.一个进化模型，描述了光合作用植物小翠云用来确保细胞质和质体中功能蛋白质合成的不同方法。
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