南京農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻抗病遺傳育種課題組闡明水稻DNA依賴的RNA聚合酶V的重要生物學(xué)功能

　　7月22日，“作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的水稻抗病遺傳育種課題組在《PNAS》在線發(fā)表了題為“The effect of RNA polymerase V on 24-nt siRNA accumulation depends on DNA methylation contexts and histone modifications in rice”的研究論文（Article）。

 

　　轉(zhuǎn)基因是創(chuàng)制抗病優(yōu)異種質(zhì)，培育廣譜、高抗作物新品種的一項(xiàng)重要現(xiàn)代生物技術(shù)。但是外來基因的導(dǎo)入常常引起作物的基因沉默，育種家有時(shí)需要從上百個(gè)轉(zhuǎn)基因株系中認(rèn)真比較，經(jīng)過多代仔細(xì)篩選，才能挑選出穩(wěn)定表達(dá)的轉(zhuǎn)基因作物，這極大增加了轉(zhuǎn)基因育種的工作量，延緩了培育作物新品種的周期。為了闡明水稻轉(zhuǎn)基因沉默的分子機(jī)制，縮短水稻轉(zhuǎn)基因育種年限，楊東雷課題組利用35S::OsGA2ox1轉(zhuǎn)基因沉默的基礎(chǔ)材料，采取EMS誘變的方式構(gòu)建了轉(zhuǎn)基因沉默的抑制子突變體庫(kù)。從中篩選出上百個(gè)fem（five elements mountain） 突變體。本次發(fā)表的工作是關(guān)于fem3的，通過圖位克隆他們發(fā)現(xiàn)FEM3編碼DNA依賴的RNA聚合酶V（Pol V）的最大亞基。

 

　　他們發(fā)現(xiàn)Pol V, 或Pol IV, 或OsRDR2突變都造成水稻的雌雄配子不育，這表明RdDM（RNA-directed DNA methylation）這一基因沉默分子通路對(duì)于水稻的生殖發(fā)育極其重要。全基因組甲基化測(cè)序與分析發(fā)現(xiàn)，Pol V缺失后，lncRNA無法轉(zhuǎn)錄，從而造成全基因組特別是基因旁鄰區(qū)域較短轉(zhuǎn)座子上的CHH類型的DNA甲基化幾乎全部喪失。小RNA測(cè)序與分析發(fā)現(xiàn)，水稻24-nt siRNA的合成幾乎全部依賴于OsRDR2和Pol IV，但只是部分依賴于Pol V。進(jìn)一步比較分析發(fā)現(xiàn)，在低CG甲基化、低CHG甲基化和高CHH甲基化的區(qū)域，24-nt siRNA合成依賴Pol V。而在高CG甲基化、高CHG甲基化和低CHH甲基化的區(qū)域，24-nt siRNA的合成不依賴于Pol V。詳細(xì)分析DNA的堿基組成發(fā)現(xiàn)，24-nt siRNA的合成依賴于Pol V的區(qū)域含有較高的AT含量，而24-nt siRNA的合成依賴于Pol V的區(qū)域含有較高的GC含量。對(duì)osdrm2和osmet1兩個(gè)突變體的甲基化組，siRNA轉(zhuǎn)錄組整合分析發(fā)現(xiàn)，在24-nt siRNA的合成依賴于Pol V的區(qū)域，CG甲基化與CHH類型的甲基化相互依賴，它們協(xié)同招募Pol IV-OsRDR2進(jìn)而合成24-nt siRNA。這些24-nt siRNA的合成又反饋介導(dǎo)了DNA甲基化，形成siRNA-DNA 甲基化相互加強(qiáng)的閉環(huán)。

 

　　那么在24-nt siRNA的合成不依賴于Pol V的區(qū)域是什么因子招募Pol IV-OsRDR2進(jìn)而合成24-nt siRNA呢？他們通過分析各種組蛋白修飾，發(fā)現(xiàn)激活型組蛋白修飾如H3K4ac, H3K9ac等在依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域富集，而抑制型組蛋白修飾H3K9me1和H3K9me2的豐度在不依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域較高。24-nt siRNA合成依賴于Pol V區(qū)域旁鄰基因的轉(zhuǎn)錄水平明顯高于不依賴于Pol V的24-nt siRNA旁鄰基因的轉(zhuǎn)錄水平。這些研究結(jié)果說明依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域位于水稻的常染色質(zhì)，而不依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域位于水稻的異染色質(zhì)。

 

　　這項(xiàng)首次在水稻中進(jìn)行的轉(zhuǎn)基因沉默機(jī)制的系統(tǒng)研究，對(duì)于加速培育轉(zhuǎn)基因作物提供了重要的理論指導(dǎo)。并且，這篇論文首次詳細(xì)鑒定了單子葉植物Pol V的生物學(xué)功能，闡明了水稻中Pol V差異化調(diào)節(jié)siRNA合成的分子機(jī)制，為理解水稻表觀基因組提供了新的認(rèn)識(shí)。

 

　　論文第一作者單位與通訊作者單位均為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。博士研究生鄭克志為第一作者，博士研究生王莉莉和前沿交叉研究院曾龍軍為該論文共同第一作者，楊東雷為唯一通訊作者。此外，農(nóng)學(xué)院高夕全教授和福建農(nóng)林大學(xué)郭忠新教授對(duì)該工作也有貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目、轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)、江蘇省自然基金杰出青年基金、“萬(wàn)人計(jì)劃”－青年拔尖人才、江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心等基金的資助，高通量測(cè)序數(shù)據(jù)分析工作在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息中心平臺(tái)完成。

 

　　2015年，課題組負(fù)責(zé)人楊東雷作為高層次引進(jìn)人才加入南農(nóng)后，以水稻為研究作物，關(guān)注抗病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、抗病與產(chǎn)量性狀之間的互作。引進(jìn)到南農(nóng)后，研究成果以通訊作者或第一作者在 Nature Plants、PNAS、Cell Research、Molecular Plant、Cell Discovery、Plant Physiology等期刊上發(fā)表8篇SCI論文。2017年獲得江蘇省杰出青年基金，2019年入選南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鐘山學(xué)者計(jì)劃－青年學(xué)術(shù)骨干（B類）稱號(hào)， 2020年獲得中組部“萬(wàn)人計(jì)劃”－青年拔尖人才資助。