发布人:     发布日期: 2021-07-25    浏览次数:

7月22日，“作物遗传与种质创新国家重点实验室”的水稻抗病遗传育种课题组在《PNAS》在线发表了题为“The effect of RNA polymerase V on 24-nt siRNA accumulation depends on DNA methylation contexts and histone modifications in rice”的研究论文（Article）。论文第一作者单位与通讯作者单位均为72886必赢欢迎光临。博士研究生郑克志为第一作者，博士研究生王莉莉和前沿交叉研究院曾龙军为该论文共同第一作者，杨东雷为唯一通讯作者。此外，72886必赢欢迎光临高夕全教授和福建农林大学郭忠新教授对该工作也有贡献。该研究得到了国家自然基金－面上项目、转基因专项、江苏省自然基金－杰出青年基金、江苏省现代作物生产协同创新中心等基金的资助，高通量测序数据分析工作在72886必赢欢迎光临生物信息中心平台完成。

转基因是创制抗病优异种质，培育广谱、高抗作物新品种的一项重要现代生物技术。但是外来基因的导入常常引起作物的基因沉默，育种家有时需要从上百个转基因株系中认真比较，经过多代仔细筛选，才能挑选出稳定表达的转基因作物，这极大增加了转基因育种的工作量，延缓了培育作物新品种的周期。为了阐明水稻转基因沉默的分子机制，缩短水稻转基因育种年限，杨东雷课题组利用35S::OsGA2ox1转基因沉默的基础材料，采取EMS诱变的方式构建了转基因沉默的抑制子突变体库。从中筛选出上百个fem (five elements mountain) 突变体。本次发表的工作是关于fem3的，通过图位克隆他们发现FEM3编码DNA依赖的RNA聚合酶V（Pol V）的最大亚基。

Figure 1. Identification of the fem3-1 mutant and map-based cloning of FEM3

他们发现Pol V, 或Pol IV, 或OsRDR2突变都造成水稻的雌雄配子不育，这表明RdDM（RNA-directed DNA methylation）这一基因沉默分子通路对于水稻的生殖发育极其重要。全基因组甲基化测序与分析发现，Pol V缺失后，lncRNA无法转录，从而造成全基因组特别是基因旁邻区域较短转座子上的CHH类型的DNA甲基化几乎全部丧失。小RNA测序与分析发现，水稻24-nt siRNA的合成几乎全部依赖于OsRDR2和Pol IV，但只是部分依赖于Pol V。进一步比较分析发现，在低CG甲基化、低CHG甲基化和高CHH甲基化的区域，24-nt siRNA合成依赖Pol V。而在高CG甲基化、高CHG甲基化和低CHH甲基化的区域，24-nt siRNA的合成不依赖于Pol V。详细分析DNA的碱基组成发现，24-nt siRNA的合成依赖于Pol V的区域含有较高的AT含量，而24-nt siRNA的合成不依赖于Pol V的区域含有较高的GC含量。对osdrm2和 osmet1两个突变体的甲基化组，siRNA转录组整合分析发现，在24-nt siRNA的合成依赖于Pol V的区域，CG甲基化与CHH类型的甲基化相互依赖，它们协同招募Pol IV-OsRDR2进而合成24-nt siRNA。这些24-nt siRNA的合成又反馈介导了DNA甲基化，形成siRNA-DNA 甲基化相互加强的闭环。

  那么在24-nt siRNA的合成不依赖于Pol V的区域是什么因子招募Pol IV-OsRDR2进而合成24-nt siRNA呢？他们通过分析各种组蛋白修饰，发现激活型组蛋白修饰如H3K4ac, H3K9ac等在依赖于Pol V的24-nt siRNA区域富集，而抑制型组蛋白修饰H3K9me1和H3K9me2的丰度在不依赖于Pol V的24-nt siRNA区域较高。24-nt siRNA合成依赖于Pol V区域旁邻基因的转录水平明显高于不依赖于Pol V的24-nt siRNA旁邻基因的转录水平。这些研究结果说明依赖于Pol V的24-nt siRNA区域位于水稻的常染色质，而不依赖于Pol V的24-nt siRNA区域位于水稻的异染色质。

Figure 2. The accumulation of 24-nt siRNA partially depends on Pol V in rice

这项首次在水稻中进行的转基因沉默机制的系统研究，对于加速培育转基因作物提供了重要的理论指导。并且，这篇论文首次详细鉴定了单子叶植物Pol V的生物学功能，阐明了水稻中Pol V差异化调节siRNA合成的分子机制，为理解水稻表观基因组提供了新的认识。

2015年，课题组负责人杨东雷作为高层次引进人才加入南农后，以水稻为研究作物，关注抗病信号转导、抗病与产量性状之间的互作。引进到南农后，研究成果以通讯作者或第一作者在 Nature Plants、PNAS、Cell Research、Molecular Plant、Cell Discovery、Plant Physiology等期刊上发表8篇SCI论文。2017年获得江苏省杰出青年基金，2019年入选72886必赢欢迎光临钟山学者计划－青年学术骨干（B类）称号, 2020年获得国家级优秀青年人才项目资助。