生命中心戚益军课题组与中科院遗传与发育所程祝宽课题组合作揭示水稻生殖特异phasiRNA的靶标和功能机制
2020年10月15日，生命中心戚益军研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究组合作，在《自然通讯》（Nature Communications） 在线发表了题为《21-nt phasiRNAs 在水稻雄性生殖细胞中介导靶标mRNA的切割》(21-nt phasiRNAs direct target mRNA cleavage in rice male germ cells)的研究论文。该研究系统鉴定和分析了水稻雄性生殖细胞中的phasiRNAs (phased small interfering RNAs)及其靶标，并阐明了21-nt phasiRNAs通过切割mRNA调控靶标基因的作用机制。
图注：a，处于不同发育时期的水稻雄性生殖细胞。i，减数分裂前的穗，标尺=0.2 cm；ii，经DAPI染色的减数分裂前花药横切面，标尺=30 μm；iii, 减数分裂I早前期的虫状细胞，标尺=50 μm； iv, 四分体，标尺=50 μm。b，用低起始量降解组测序鉴定水稻雄性生殖细胞中21-nt phasiRNA的作用靶标（3个例子）。
水稻、玉米、小麦等禾本科植物是主要粮食作物。在禾本科植物雄性生殖器官花药中特异表达着一类小RNA—phasiRNAs。phasiRNAs的前体由pol II 转录，经miR2118或miR2275靶向切割后，RDR6 (RNA-dependent RNA polymerase 6)将切割片段转化为双链RNA，这些双链RNA进而分别在DCL4或DCL3b的连续切割下生成首尾相连的一系列21-nt 或24-nt phasiRNAs。在水稻生殖细胞中，众多phasiRNAs与生殖细胞特异表达的MEL1/OsAGO5c相结合。phasiRNA生成通路关键因子的功能缺失或特定phasiRNA的异常可导致温敏或光敏雄性不育，表明phasiRNA在调控雄性生殖细胞发育和植物育性中发挥重要功能。但迄今为止，phasiRNAs的靶标及其功能机制尚不清楚。
在这项研究中，戚益军研究组与程祝宽研究组合作，利用显微摄取的方法分离收集了减数分裂I早前期、四分体时期和小孢子时期的雄性生殖细胞。通过低起始量小RNA测序，系统鉴定了生殖细胞中的phasiRNAs，发现21-nt phasiRNAs在减数分裂I早前期生殖细胞中丰度最高。此外，戚益军研究组开发了低起始量降解组建库测序的方法，该方法可用ng级总RNA在全基因组范围内检测mRNA降解产物。运用此方法，发现435个蛋白编码基因及71个转座子可被不同序列的21-nt phasiRNAs切割。这些靶标基因在碳水化合物生成及代谢通路中富集。在突变体rdr6-2和 mel1-4中，21-nt phasiRNAs的积累减少，部分靶标基因表达上调，表明21-nt phasiRNA可通过切割mRNA调控靶标基因表达。
该研究首次揭示了植物生殖细胞中phasiRNAs的靶标和作用模式，是phasiRNAs研究的一个突破性进展，同时对利用phasiRNA开发作物雄性不育系提供了新思路。
清华大学戚益军教授与中科院遗传发育所程祝宽研究员为该论文共通讯作者，清华大学博士后姜鹏飞和博士生连璧为该论文共同第一作者。清华大学博士生付泽宇和中科院遗传发育所博士生刘长振、助理研究员沈懿参与了该研究的部分工作。该研究由国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和生命科学联合中心提供经费支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19034-y
