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lncRNA调控玉米生长发育和非生物胁迫研究进展
植物学报
2024, 59 (6):
950-962.
DOI: 10.11983/CBB24075
长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA)广泛存在于真核生物基因组中, 在维持生物体正常生命活动中发挥重要作用。近年来, 通过高通量测序和生物信息学分析在植物中发掘到大量的lncRNA。已有研究证实lncRNA在调控植物生长发育和逆境响应中发挥重要作用。由于基因组复杂且遗传操作过程繁琐, lncRNA在玉米(Zea mays)中的研究远落后于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)。玉米作为我国主要粮食作物, 对于保障国家粮食安全至关重要。玉米还是遗传学与基因组学领域重要的模式植物。了解lncRNA在玉米中的研究进展有助于理解lncRNA的生物学功能。挖掘并解析lncRNA参与玉米生长发育和逆境响应的分子调控网络, 可为玉米遗传改良提供新的分子靶点。该文总结了lncRNA的来源、分类和作用机制, 并讨论了玉米中lncRNA的发掘及其在调控生长发育和逆境响应中的生物学功能, 最后展望了lncRNA在玉米中的研究方向。
表1
植物长链非编码RNA (lncRNA)数据库
正文中引用本图/表的段落
通讯作者:*李文学, 中国农业科学院作物科学研究所研究员, 博士生导师。2009年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”; 2017年入选科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”, 同年入选国家级人才计划。主要从事玉米适应养分胁迫及抗倒伏的分子机制研究。相关成果以通讯作者身份发表在Science、Nucleic Acids Res、Mol Plant、New Phytol、Plant Physiol及Plant J等期刊上。相关科研成果荣获北京市科学技术进步奖一等奖和教育部科技进步二等奖各1项。E-mail:liwenxue@caas.cn
目前, 科研人员针对不同植物物种构建了一系列lncRNA数据库, 包括PlantNATsDB、PLncDB V2.0、PNRD、LncPheDB、wLNCdb、RiceLncPedia和scPLAD等(表1)。这些数据库涵盖lncRNA的基因组变异、表达模式、可能靶标、表观遗传修饰以及农艺性状关联分析, 为发掘具有生物学功能的lncRNA提供了数据支撑。
lncRNA可作为竞争性内源RNA (competing endogenous RNA, ceRNA)结合miRNA, 抑制体内miRNA的积累, 从而增加miRNA靶标基因的表达量。lncRNA作为竞争性内源RNA行使功能的经典案例源自IPS1 (induced by phosphate starvation 1)。在拟南芥中, IPS1通过不完全碱基配对竞争性结合miR399, 进而抑制miR399对靶基因PHO2的结合能力(Franco-Zorrilla et al., 2007)。Wang等(2017)通过序列比对, 在豆科模式物种苜蓿中鉴定到1个lncRNA PDIL1, PDIL1行使类似IPS1的功能, 保护PHO2不受miR399的剪切。番茄(Solanum lycopersicum)体内lncRNA39896可作为竞争性内源RNA结合miR166b, 参与抗病反应(Hong et al., 2022)。基于IPS1与miR399的互作模式, target mimicry技术逐渐兴起, 并广泛应用于生物体内miRNA的功能研究(Franco- Zorrilla et al., 2007; Todesco et al., 2010)。
lncRNA通过改变染色质的拓扑结构影响基因的表达。PID (PINOID)是拟南芥生长素极性运输的重要调节子。lncRNA APOLO (AUXIN-REGULATED PRO- MOTER LOOP RNA)位于PID基因的上游, 通过动态调控PID基因启动子的环化过程影响PID基因的转录。生长素处理使APOLO发生DNA去甲基化, 并且打开包含PID启动子区域的染色质环, 促进PID和APOLO的转录; RNA聚合酶II转录产生的APOLO通过招募LHP1 (polycomb factor like heterochromatin protein 1)蛋白介导PID启动子区域染色质环的形成, 而RNA聚合酶IV/V转录产生的APOLO通过促进DNA甲基化维持染色质环的稳定(Ariel et al., 2014)。APOLO也可通过碱基互补配对形成DNA-RNA双链体(R-loop结构)识别远端靶标基因(如WAG2、AZG2和RHD6), 并招募LHP1促进靶位点处的染色质发生环化, 参与协调生长素的分布和侧根形成(Ariel et al., 2020; Moison et al., 2021)。
玉米中lncRNA的鉴定最初主要通过生物信息学手段挖掘cDNA文库中不具有蛋白编码能力的RNA。Boerner和McGinnis (2012)根据转录本和开放阅读框长度以及编码蛋白质的同源性等特征, 从玉米全长cDNA文库中发掘出2 492个lncRNAs, 其中约60%为sRNA的前体。随着高通量测序技术的普及, 转录组测序(RNA-seq)成为发掘植物lncRNA的主要手段。与传统的构建cDNA文库相比, RNA-seq可获得特定发育阶段或生理条件下细胞内所有转录物信息。Li等(2014)利用EST公共数据库和30份玉米样品的RNA- seq数据, 鉴定到20 163个lncRNAs。Han等(2019)分析了749份玉米自交系B73的RNA-seq数据和60份大刍草(Zea mays subsp. parviglumis)的RNA-seq数据, 共得到18 165个lncRNAs, 其中约37.8%的玉米lncRNA在大刍草中保守存在。Lu等(2023)利用公共数据库中玉米自交系群体授粉后5天和15天籽粒的RNA-seq数据, 分别鉴定到3 429和4 731个lincRNAs; 进一步结合自交系群体的籽粒表型数据和高密度单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)标记, 鉴定出1 168个具有顺式作用表达数量性状位点(cis-eQTLs)的lincRNAs; 发现在玉米驯化和改良过程中, 与蛋白编码基因相比, lincRNA更倾向于保留具有大效应的表达上调等位基因, 暗示lincRNA的顺式调控位点在玉米演化过程中可能发挥重要作用。
植物缺磷是全球农业生产中普遍面临的问题。深入理解植物适应磷胁迫的生理及分子机制, 充分挖掘作物自身吸收和利用磷素的生物学潜力, 有助于实现磷肥的高效利用。miRNA399是第1个被发现响应低磷胁迫的植物miRNA, 其特异性受低磷胁迫诱导表达(Fujii et al., 2005)。拟南芥和水稻中, miRNA399通过负调控其靶标E2泛素结合酶基因UBC24 (PHO2)的表达参与调节体内磷酸盐平衡(Chiou et al., 2006; Lin et al., 2008; Hu et al., 2011)。当土壤中磷酸盐含量充足时, PHO2将多聚泛素连接到底物蛋白PHO1 (PHOSPHATE1)以及PHT1 (PHOSPHATE TRANSPORTER1)上, 促进PHO1和PHT1降解, 从而保障植物维持最适的磷酸盐吸收和转运效率(Huang et al., 2013)。在miRNA399过表达转基因拟南芥和水稻中, 由于PHO2转录本减少, 减弱了对PHO1和PHT1蛋白的泛素化降解, 使根系磷酸盐的吸收能力增强, 并导致植株地上部积累过量的磷酸盐, 从而出现老叶枯黄坏死的磷中毒表型(Aung et al., 2006; Hu et al., 2011)。在miRNA399-PHO2通路中, 拟南芥lncRNA IPS1与其同源基因At4受低磷诱导表达, IPS1作为竞争性内源RNA分子通过碱基序列互补与靶基因PHO2竞争性结合miRNA399, 从而抑制miRNA399对PHO2的切割(Franco-Zorrilla et al., 2007)。
现代分子生物学技术的发展加速了作物改良的进程。ncRNA作为生物体内重要的调节因子, 为作物改良提供了新思路。目前, miRNA和siRNA在玉米复杂农艺性状改良中已得到广泛应用。例如, miR528可用于提高玉米的抗倒伏能力(Sun et al., 2018); miR156参与调控玉米株型(Yang et al., 2023); miR169用于提高玉米的耐旱性(Xing et al., 2022)。研究表明lncRNA也广泛参与玉米发育及逆境响应等生物学过程, 暗示其具有较好的应用潜力。相较于拟南芥和水稻, lncRNA在玉米中的功能研究有所滞后, 尤其是参与调控生长发育和逆境响应的lncRNA亟待深入研究。目前仅PILNCR1、PILNCR2及GARR2等少数几个lncRNA在玉米中的功能得到验证。
在动物中lncRNA作为信号分子、诱饵分子、引导分子和支架分子等, 通过顺式(cis)和反式(trans)作用调控靶标基因的表达(Wang and Chang, Origins and evolving functionalities of tRNA-derived small RNAs 1 2021 ... 真核生物基因组中高达90%的区域可被转录, 这些转录产物大部分为非编码RNA (non-coding RNA, ncRNA).人类基因组中仅有不到2%的转录产物具有蛋白编码功能(Djebali et al., Plant and animal small RNA communications between cells and organisms 1 2022 ... 真核生物基因组中高达90%的区域可被转录, 这些转录产物大部分为非编码RNA (non-coding RNA, ncRNA).人类基因组中仅有不到2%的转录产物具有蛋白编码功能(Djebali et al., Regulation of phosphate homeostasis by microRNA in Arabidopsis 1 2006 ... 植物缺磷是全球农业生产中普遍面临的问题.深入理解植物适应磷胁迫的生理及分子机制, 充分挖掘作物自身吸收和利用磷素的生物学潜力, 有助于实现磷肥的高效利用.miRNA399是第1个被发现响应低磷胁迫的植物miRNA, 其特异性受低磷胁迫诱导表达(Fujii et al., Antisense COOLAIR mediates the coordinated switching of chromatin states at FLC during vernalization 2 2014 ... 为方便学术成果分享, 对lncRNA的分类和功能注释至关重要.根据lncRNA在基因组中与邻近编码蛋白基因的位置关系, 可将lncRNA分为基因间lncRNA (intergenic lncRNA, lincRNA)、正义链lncRNA (sense lncRNA)、天然反义链lncRNA (natural antisense lncRNA, NATs)、内含子lncRNA (intronic lncRNA)和双向lncRNA (bidirectional lncRNA) (
在动物中lncRNA作为信号分子、诱饵分子、引导分子和支架分子等, 通过顺式(cis)和反式(trans)作用调控靶标基因的表达(Wang and Chang, Combined population transcriptomic and genomic analysis reveals cis-regulatory differentiation of non-coding RNAs in maize 1 2023 ... 玉米中lncRNA的鉴定最初主要通过生物信息学手段挖掘cDNA文库中不具有蛋白编码能力的RNA.Boerner和McGinnis ( Genome-wide identification and functional prediction of nitrogen-responsive intergenic and intronic long non-coding RNAs in maize (Zea mays L.) 1 2016 ... 干旱、盐、温度和养分等非生物胁迫严重影响玉米的生长和产量, 对粮食安全构成重大威胁.拟南芥和水稻中的研究表明, lncRNA可作为重要的调节因子应答非生物胁迫.利用胁迫处理后的RNA-seq数据, 从玉米体内发掘到大量响应逆境胁迫的lncRNAs.Lv等( Zm401, a short-open reading-frame mRNA or noncoding RNA, is essential for tapetum and microspore development and can regulate the floret formation in maize 2 2008 ... Function of long non-coding RNA (lncRNA) in maize
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