植物模型|齐怡君/李嘉阳合作揭示RdDM调控水稻分蘖的机理

2020年2月

< p >清华大学植物生物学研究中心的齐怡君研究组和中国科学院遗传与发育生物学研究所的李嘉阳研究组在《分子植物》杂志上联合发表了一篇名为《利用小分子RNA调控水稻分蘖的DNA方法学》的在线出版物。在

植物中，小RNA介导的DNA甲基化(RDDM)在转座子沉默和基因表达调控中起重要作用。通过在靶位点转录核糖核酸聚合酶ⅳ(核糖核酸聚合酶ⅳ，Pol)来产生核糖核酸；随后，核糖核酸依赖的核糖核酸聚合酶2(核糖核酸依赖的核糖核酸聚合酶2，rdr2)使用从Pol IV转录的核糖核酸作为模板合成双链核糖核酸。双链核糖核酸被切割加工成长度为24个核苷酸的小核糖核酸这些小核糖核酸与ARGOUTE 4(AGO4)蛋白结合，并进一步募集脱氧核糖核酸甲基化转移酶DRM2来介导脱氧核糖核酸从头甲基化。人们对RdDM途径的理解主要来自对模式植物拟南芥的研究。有趣的是，拟南芥RdDM途径的突变体没有明显的发育表型。这可能是由于在拟南芥中，RdDM的主要靶标(转座子)集中在着丝粒附近，远离基因。然而，在水稻中，转座子相对均匀地分布在染色体上，通常与蛋白质编码基因相邻甚至重叠因此，作者推测RdDM可能调控水稻中邻近基因的表达，从而调控水稻的生长发育。

为了验证上述推测，作者使用了核糖核酸干扰和CRISPR/Cas9基因编辑技术来敲除或敲除Pol IV复合物的最大亚单位OsNRPD1a/b。他们发现敲除或敲除OsNRPD1/b可导致植物矮化和分蘖显著增加(图1)这表明RdDM参与了水稻分蘖和株高的调节

图1。OsNRPD1调控水稻茎基部分蘖

分蘖芽的形成和生长为了进一步探讨RdDM调控分蘖的分子机制，作者以茎基为实验材料，对osnrpd1突变体的全基因组进行了mRNA、小RNA和DNA甲基化测序。测序结果表明，水稻RdDM的主要靶标是一个名为微型倒重复转座子的转座子进一步分析表明，有两个相邻的MITEs在调节分蘖的重要基因锇156d/j的启动子区。RdDM通过介导MiTs的甲基化来抑制锇156d/j的转录，从而调节成熟miR156及其靶基因IPA1在茎基部的积累。同时，作者还发现在编码strigolactone受体D14的基因下游有两个螨虫。RdDM通过特异性介导一种螨类的甲基化来促进茎基部的D14表达，从而调节信号转导和strigolactone途径下游的分蘖

总之，本文揭示了RdDM介导的螨类甲基化通过抑制锇156d/j和促进D14基因表达来调节水稻分蘖该研究还表明，在表观遗传水平上调控重要农艺性状的基因表达在分子育种中具有潜在的应用价值。清华大学生命科学学院植物生物学研究中心的许乐博士和中国科学院遗传与发育生物学研究所的袁坤博士是本文的合著者。清华大学的齐怡君教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所的李嘉阳研究员是合作交流的作者。