林木重要經(jīng)濟(jì)性狀如木材形成不僅受編碼蛋白的基因調(diào)控，還受非編碼調(diào)控因子如miRNA的強(qiáng)烈作用，其遺傳調(diào)控機(jī)制非常復(fù)雜。但，先前的研究僅關(guān)注蛋白編碼基因的遺傳變異效應(yīng)，而作為遺傳變異的另一重要貢獻(xiàn)者“非編碼RNA” 的進(jìn)化地位、功能作用及等位變異機(jī)制等未能得到全面解析；先前被認(rèn)為是“基因組垃圾”的非編碼序列遺傳效應(yīng)長期被忽略，林木數(shù)量性狀遺傳結(jié)構(gòu)解析研究僅處于起步階段。為此，我校生物學(xué)院張德強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)依托“973計(jì)劃”課題、中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)、國家自然科學(xué)基金等課題聯(lián)合資助，在前期創(chuàng)制林木基因標(biāo)記輔助育種理論體系的基礎(chǔ)上，首次系統(tǒng)開展了林木非編碼小RNA功能進(jìn)化與等位變異聯(lián)合解析工作。
創(chuàng)新點(diǎn)1：揭示了楊樹特有miRNA基因組穩(wěn)定性、群體適應(yīng)性以及功能進(jìn)化規(guī)律
保守miRNA遺傳調(diào)控與進(jìn)化地位解析是目前分子遺傳學(xué)與分子生物學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。然而，對(duì)生死交替速率更大的物種特有miRNA還未見報(bào)道。因此，研究團(tuán)隊(duì)首次完成了林木特有miRNA在基因組穩(wěn)定性維持、群體適應(yīng)性以及全基因組復(fù)制后的功能更新等方面的研究工作。
該研究通過群體遺傳學(xué)、關(guān)聯(lián)遺傳學(xué)、雜交群體復(fù)合似然比率等統(tǒng)計(jì)學(xué)手段，系統(tǒng)解析了楊樹特有miRNA群體適應(yīng)性機(jī)制，并剖析了SNP位點(diǎn)對(duì)物候性狀的遺傳效應(yīng)。研究顯示約50%為楊樹特有miRNA，而32%的miRNA與基因序列重合，且miRNA序列在基因5′UTR區(qū)域顯著富集且在表達(dá)上有顯著相關(guān)性，表明了結(jié)構(gòu)基因在miRNA形成中的重要作用。進(jìn)化分析顯示，楊樹特有miRNA具有更快的更新速度，在表達(dá)水平上經(jīng)歷了由低到高的進(jìn)化模式，miRNA家族成員與靶基因數(shù)目也由少至多，最終可作為保守的miRNA在進(jìn)化中長期保留下來；特有miRNA傾向于調(diào)控楊樹全基因組復(fù)制后保留下來的基因，這些基因具有抗病、信號(hào)傳導(dǎo)等重要功能，表明楊樹特有miRNA在基因組穩(wěn)定性維持中起重要作用。關(guān)聯(lián)研究顯示楊樹特有miRNA變異位點(diǎn)與群體適應(yīng)性顯著關(guān)聯(lián)。研究首次揭示了楊樹特有miRNA在進(jìn)化來源、基因組穩(wěn)定性維持、群體適應(yīng)性方面具有的重要功能，為全面解析miRNA起源、功能以及在林木遺傳改良中的關(guān)鍵作用奠定了基礎(chǔ)。
研究成果近期在線發(fā)表于國際著名植物學(xué)雜志《New Phytologist》上（IF="7.21），文章第一作者是生物學(xué)院青年教師謝劍波博士。
創(chuàng)新點(diǎn)2：闡明了林木群體miRNA及其靶基因等位變異互作機(jī)制
先前大量研究表明，miRNA及其靶基因內(nèi)SNPs與人類疾病顯著連鎖，但在植物領(lǐng)域非編碼等位變異研究鮮有報(bào)道。特別是，在多年生林木群體水平，miRNA基因與靶基因結(jié)合位點(diǎn)的SNP分布、效應(yīng)及互作機(jī)制等尚屬空白。
該研究首先采用高通量測序發(fā)現(xiàn)了一系列參與木材形成過程的關(guān)鍵miRNA及其靶基因，并對(duì)217 miRNAs 基因和1196個(gè)靶基因進(jìn)行了毛白楊種質(zhì)資源群體重測序工作。在上述基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了位于編碼初級(jí)miRNA轉(zhuǎn)錄本（pri-miRNA）、miRNA前體（pre-miRNA）莖環(huán)結(jié)構(gòu)區(qū)、及其成熟miRNA序列的SNP分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了SNP主要位于pre-miRNA的頸環(huán)結(jié)構(gòu)區(qū)和miRNA非種子區(qū)域，且該類miRNA基因的SNP主要通過影響miRNA的加工過程和/或影響miRNA-mRNA的相互作用而干擾miRNA的調(diào)控能力。同時(shí)，對(duì)靶基因結(jié)合位點(diǎn)上的SNP進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)了SNP變異可通過導(dǎo)致自由能的改變或功能構(gòu)象的消失，影響miRNA與靶序列結(jié)合而喪失其原有的調(diào)控功能，最終導(dǎo)致整個(gè)遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的改變，全面揭示了miRNA基因和靶基因結(jié)合位點(diǎn)的SNP分布、影響及相互作用。隨后，采用多基因關(guān)聯(lián)模型，并通過共表達(dá)分析和降解組測序驗(yàn)證，剖析了miRNA與靶基因內(nèi)SNP對(duì)林木生長與木材纖維品質(zhì)的加性、顯性與上位性遺傳效應(yīng)，發(fā)掘了與木材品質(zhì)顯著關(guān)聯(lián)的非編碼基因內(nèi)SNP組合，建立了miRNA及其靶基因在木質(zhì)纖維品質(zhì)形成途徑的上位性互作網(wǎng)絡(luò)，研究為推動(dòng)非編碼RNA在林木數(shù)量遺傳改良中的應(yīng)用提供了全新的理論與策略。
研究成果近期發(fā)表在國際著名植物學(xué)雜志《New Phytologist》上（影響因子為7.21）。文章第一作者是生物學(xué)院在讀博士生陳金輝。
附論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14046/full
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14040/full
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