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生命學院戚益軍課題組與中科院遺傳與發育所程祝寬課題組合作揭示水稻生殖特異phasiRNA的靶標和功能機制

2020-10-16 16:18:45

2020年10月15日,清華大學生命科學學院植物生物學研究中心戚益軍研究組與中國科學院遺傳與發育生物學研究所程祝寬研究組合作,在《自然通訊》(Nature Communications) 在線發表了題為“21-nt phasiRNAs 在水稻雄性生殖細胞中介導靶標mRNA的切割”(21-nt phasiRNAs direct target mRNA cleavage in rice male germ cells)的研究論文。該研究系統鑒定和分析了水稻雄性生殖細胞中的phasiRNAs (phased small interfering RNAs)及其靶標,并闡明了21-nt phasiRNAs通過切割mRNA調控靶標基因的作用機制。

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著一類小RNA—phasiRNAs。phasiRNAs的前體由pol II 轉錄,經miR2118或miR2275靶向切割后,RDR6 (RNA-dependent RNA polymerase 6)將切割片段轉化為雙鏈RNA,這些雙鏈RNA進而分別在DCL4或DCL3b的連續切割下生成首尾相連的一系列21-nt 或24-nt phasiRNAs。在水稻生殖細胞中,眾多phasiRNAs與生殖細胞特異表達的MEL1/OsAGO5c相結合。phasiRNA生成通路關鍵因子的功能缺失或特定phasiRNA的異??蓪е聹孛艋蚬饷粜坌圆挥?,表明phasiRNA在調控雄性生殖細胞發育和植物育性中發揮重要功能。但迄今為止,phasiRNAs的靶標及其功能機制尚不清楚。

在這項研究中,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分裂I早前期、四分體時期和小孢子時期的雄性生殖細胞。通過低起始量小RNA測序,系統鑒定了生殖細胞中的phasiRNAs,發現21-nt phasiRNAs在減數分裂I早前期生殖細胞中豐度最高。此外,戚益軍研究組開發了低起始量降解組建庫測序的方法,該方法可用ng級總RNA在全基因組范圍內檢測mRNA降解產物。運用此方法,發現435個蛋白編碼基因及71個轉座子可被不同序列的21-nt phasiRNAs切割。這些靶標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,部分靶標基因表達上調,表明21-nt phasiRNA可通過切割mRNA調控靶標基因表達。

該研究首次揭示了植物生殖細胞中phasiRNAs的靶標和作用模式,是phasiRNAs研究的一個突破性進展,同時對利用phasiRNA開發作物雄性不育系提供了新思路。

清華大學戚益軍教授與中科院遺傳發育所程祝寬研究員為該論文共通訊作者,清華大學博士后姜鵬飛和博士生連璧為該論文共同第一作者。清華大學博士生付澤宇和中科院遺傳發育所博士生劉長振、助理研究員沈懿參與了該研究的部分工作。該研究由國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃和清華-北大生命科學聯合中心提供經費支持。

圖注:a,處于不同發育時期的水稻雄性生殖細胞。i,減數分裂前的穗,標尺=0.2 cm;ii,經DAPI染色的減數分裂前花藥橫切面,標尺=30 μm;iii, 減數分裂I早前期的蟲狀細胞,標尺=50 μm; iv, 四分體,標尺=50 μm。b,用低起始量降解組測序鑒定水稻雄性生殖細胞中21-nt phasiRNA的作用靶標(3個例子)。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19034-y


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