生命學(xué)院戚益軍課題組與中科院遺傳與發(fā)育所程祝寬課題組合作揭示水稻生殖特異phasiRNA的靶標(biāo)和功能機(jī)制
2020年10月15日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物生物學(xué)研究中心戚益軍研究組與中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所程祝寬研究組合作，在《自然通訊》（Nature Communications） 在線發(fā)表了題為“21-nt phasiRNAs 在水稻雄性生殖細(xì)胞中介導(dǎo)靶標(biāo)mRNA的切割”(21-nt phasiRNAs direct target mRNA cleavage in rice male germ cells)的研究論文。該研究系統(tǒng)鑒定和分析了水稻雄性生殖細(xì)胞中的phasiRNAs (phased small interfering RNAs)及其靶標(biāo)，并闡明了21-nt phasiRNAs通過(guò)切割mRNA調(diào)控靶標(biāo)基因的作用機(jī)制。
水稻、玉米、小麥等禾本科植物是主要糧食作物。在禾本科植物雄性生殖器官花藥中特異表達(dá)著一類小RNA—phasiRNAs。phasiRNAs的前體由pol II 轉(zhuǎn)錄，經(jīng)miR2118或miR2275靶向切割后，RDR6 (RNA-dependent RNA polymerase 6)將切割片段轉(zhuǎn)化為雙鏈RNA，這些雙鏈RNA進(jìn)而分別在DCL4或DCL3b的連續(xù)切割下生成首尾相連的一系列21-nt 或24-nt phasiRNAs。在水稻生殖細(xì)胞中，眾多phasiRNAs與生殖細(xì)胞特異表達(dá)的MEL1/OsAGO5c相結(jié)合。phasiRNA生成通路關(guān)鍵因子的功能缺失或特定phasiRNA的異?？蓪?dǎo)致溫敏或光敏雄性不育，表明phasiRNA在調(diào)控雄性生殖細(xì)胞發(fā)育和植物育性中發(fā)揮重要功能。但迄今為止，phasiRNAs的靶標(biāo)及其功能機(jī)制尚不清楚。
在這項(xiàng)研究中，戚益軍研究組與程祝寬研究組合作，利用顯微攝取的方法分離收集了減數(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。通過(guò)低起始量小RNA測(cè)序，系統(tǒng)鑒定了生殖細(xì)胞中的phasiRNAs，發(fā)現(xiàn)21-nt phasiRNAs在減數(shù)分裂I早前期生殖細(xì)胞中豐度最高。此外，戚益軍研究組開(kāi)發(fā)了低起始量降解組建庫(kù)測(cè)序的方法，該方法可用ng級(jí)總RNA在全基因組范圍內(nèi)檢測(cè)mRNA降解產(chǎn)物。運(yùn)用此方法，發(fā)現(xiàn)435個(gè)蛋白編碼基因及71個(gè)轉(zhuǎn)座子可被不同序列的21-nt phasiRNAs切割。這些靶標(biāo)基因在碳水化合物生成及代謝通路中富集。在突變體rdr6-2和 mel1-4中，21-nt phasiRNAs的積累減少，部分靶標(biāo)基因表達(dá)上調(diào)，表明21-nt phasiRNA可通過(guò)切割mRNA調(diào)控靶標(biāo)基因表達(dá)。
該研究首次揭示了植物生殖細(xì)胞中phasiRNAs的靶標(biāo)和作用模式，是phasiRNAs研究的一個(gè)突破性進(jìn)展，同時(shí)對(duì)利用phasiRNA開(kāi)發(fā)作物雄性不育系提供了新思路。
清華大學(xué)戚益軍教授與中科院遺傳發(fā)育所程祝寬研究員為該論文共通訊作者，清華大學(xué)博士后姜鵬飛和博士生連璧為該論文共同第一作者。清華大學(xué)博士生付澤宇和中科院遺傳發(fā)育所博士生劉長(zhǎng)振、助理研究員沈懿參與了該研究的部分工作。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心提供經(jīng)費(fèi)支持。
圖注：a，處于不同發(fā)育時(shí)期的水稻雄性生殖細(xì)胞。i，減數(shù)分裂前的穗，標(biāo)尺=0.2 cm；ii，經(jīng)DAPI染色的減數(shù)分裂前花藥橫切面，標(biāo)尺=30 μm；iii, 減數(shù)分裂I早前期的蟲(chóng)狀細(xì)胞，標(biāo)尺=50 μm； iv, 四分體，標(biāo)尺=50 μm。b，用低起始量降解組測(cè)序鑒定水稻雄性生殖細(xì)胞中21-nt phasiRNA的作用靶標(biāo)（3個(gè)例子）。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19034-y
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