清華新聞網(wǎng)6月19日電 小RNA通過(guò)調(diào)節(jié)靶標(biāo)基因表達(dá)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)控功能。玉米和水稻等禾本科植物花藥中存在一類(lèi)長(zhǎng)度為21個(gè)核苷酸的相位siRNA（21-nt phasiRNA），它們?cè)谛坌陨臣?xì)胞發(fā)育和植物育性調(diào)控中發(fā)揮重要作用，其功能的異?？蓪?dǎo)致光/溫敏雄性不育。已有研究發(fā)現(xiàn)，水稻中的21-nt phasiRNA可靶向數(shù)百個(gè)靶標(biāo)基因，通過(guò)切割mRNA的方式調(diào)節(jié)基因表達(dá)。玉米中的21-nt phasiRNA一直被認(rèn)為沒(méi)有靶標(biāo)基因，其作用機(jī)制長(zhǎng)期未知。
北京時(shí)間6月12日，清華大學(xué)生命學(xué)院、植物生物學(xué)研究中心戚益軍課題組在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線(xiàn)發(fā)表題為“玉米花藥中21-nt phasiRNA對(duì)靶標(biāo)mRNA切割的時(shí)空調(diào)控”（Spatiotemporal regulation of target mRNA cleavage by 21-nt phasiRNAs in maize anthers）的研究論文。研究利用降解組測(cè)序，對(duì)玉米多個(gè)發(fā)育階段的花藥及雄性生殖細(xì)胞進(jìn)行了RNA末端分析，發(fā)現(xiàn)21-nt phasiRNA可切割數(shù)百個(gè)mRNA靶標(biāo)，并發(fā)現(xiàn)21-nt phasiRNA介導(dǎo)的mRNA切割具有發(fā)育時(shí)期特異性和細(xì)胞類(lèi)型依賴(lài)性。有意思的是，雖然21-nt phasiRNA在玉米和水稻中有相同的作用機(jī)制和功能，但21-nt phasiRNA及其靶標(biāo)序列幾乎沒(méi)有保守性。
課題組收集了減數(shù)分裂前期、減數(shù)分裂I早前期和四分體/小孢子期的玉米花藥，并用顯微攝取的方法分離了處于減數(shù)分裂I早前期、四分體時(shí)期和小孢子時(shí)期的雄性生殖細(xì)胞（圖1）。通過(guò)低起始量小RNA測(cè)序，在這些樣品中系統(tǒng)鑒定了上萬(wàn)個(gè)21-nt phasiRNA。他們接著采用低起始量降解組測(cè)序檢測(cè)了21-nt phasiRNA可能介導(dǎo)的mRNA切割信號(hào)。結(jié)果顯示，在減數(shù)分裂前期、減數(shù)分裂I早前期和四分體/小孢子期的花藥中，21-nt phasiRNA分別切割132、132和119個(gè)靶標(biāo)mRNA；而在減數(shù)分裂I早前期的雄性生殖細(xì)胞、四分體和小孢子中，21-nt phasiRNA分別切割246、181和143個(gè)靶標(biāo)mRNA，表明玉米中的21-nt phasiRNA可通過(guò)切割mRNA，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。
圖1.不同發(fā)育時(shí)期的玉米花藥和雄性生殖細(xì)胞
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，21-nt phasiRNA介導(dǎo)的mRNA切割信號(hào)在花藥與雄性生殖細(xì)胞發(fā)育不同階段呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化（圖2），說(shuō)明其對(duì)靶標(biāo)mRNA的調(diào)控具有發(fā)育時(shí)期特異性。在處于同一發(fā)育階段的花藥和雄性生殖細(xì)胞中，部分21-nt phasiRNA具有花藥壁體細(xì)胞或雄性生殖細(xì)胞特異的靶標(biāo)基因（圖3），并且這些靶標(biāo)基因分別與花藥壁體細(xì)胞和雄性生殖細(xì)胞的特定生物學(xué)功能相關(guān)聯(lián)，表明21-nt phasiRNA在花藥的不同細(xì)胞類(lèi)群中發(fā)揮不同功能。課題組此前研究發(fā)現(xiàn)，小RNA5'末端核苷酸決定其與效應(yīng)AGO蛋白結(jié)合的特異性。分析顯示，僅在雄性生殖細(xì)胞中有靶標(biāo)的21-nt phasiRNA，其5'末端有非常強(qiáng)的胞嘧啶（C）偏好性，在花藥壁體細(xì)胞和雄性生殖細(xì)胞中均有靶標(biāo)的21-nt phasiRNA，偏好性并不明顯，而僅在花藥壁體細(xì)胞中有靶標(biāo)的21-nt phasiRNA，這種偏好性則進(jìn)一步減弱。這些結(jié)果表明，在花藥的不同細(xì)胞類(lèi)群中，存在不同的21-nt phasiRNA群體，它們與不同AGO蛋白結(jié)合，特異性地調(diào)控不同靶標(biāo)基因。
圖2.玉米不同發(fā)育時(shí)期21-nt phasiRNA對(duì)靶標(biāo)mRNA的切割
圖3.玉米花藥和雄性生殖細(xì)胞中21-nt phasiRNA對(duì)靶標(biāo)mRNA的切割
最后，對(duì)玉米和水稻中21-nt phasiRNA及其靶標(biāo)的演化分析表明，21-nt phasiRNA的產(chǎn)生位點(diǎn)具有保守的基因組位置，但它們的序列完全不同，并且它們靶向的基因也不相同。這表明phasiRNA及其對(duì)靶標(biāo)的調(diào)控在禾本科植物中已發(fā)生快速分化。
綜上所述，該研究系統(tǒng)鑒定了玉米花藥和雄性生殖細(xì)胞各發(fā)育階段的21-nt phasiRNA及其切割靶標(biāo)，并揭示了玉米中21-nt phasiRNA調(diào)控靶標(biāo)基因的時(shí)空特異性，為研究禾本科植物21-nt phasiRNA在雄性育性調(diào)控中的功能奠定了必不可少的基礎(chǔ)。21-nt phasiRNA是作為一個(gè)群體共同作用調(diào)控雄性育性，還是僅有少數(shù)核心21-nt phasiRNA負(fù)責(zé)這種調(diào)控，在未來(lái)值得進(jìn)一步研究。
清華大學(xué)生命學(xué)院教授戚益軍和博士后連璧為論文的共同通訊作者，連璧和2019級(jí)博士生黃天笑為論文共同第一作者。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命學(xué)院教授姜鵬飛和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院黃偉博士、金危危教授參與了部分工作。研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委和新基石基金會(huì)提供經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2422647122
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
