種子對(duì)于全球糧食供應(yīng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,影響種子發(fā)育的因素探尋也是作物改良的重要研究方向。種子的發(fā)育過(guò)程是復(fù)雜的,涉及到胚胎、胚乳和種皮等不同組織部位。前人研究表明,24-nt的siRNA及RdDM(RNA-directed DNA methylation)在早期種子發(fā)育過(guò)程中十分重要,然而RdDM在該過(guò)程中的具體生物學(xué)功能仍不清楚。
RdDM通常與位于常染色質(zhì)區(qū)域的轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄沉默相關(guān)并影響基因的表達(dá)。RdDM的標(biāo)志是RNA聚合酶IV(RNA Pol IV)和依賴于RNA的RNA聚合酶2(RDR2)產(chǎn)生的24-nt siRNA的積累。種子中存在大量的24-nt siRNA,但在擬南芥24-nt siRNA缺失突變體中種子能正常發(fā)育。而其近緣種油菜的RdDM突變體受精后15天種子流產(chǎn),該表型受到母體基因型控制,表明母體中siRNA水平可能對(duì)種子發(fā)育起著重要作用。
近日,PNAS在線發(fā)表了題為“Abundant expression of maternal siRNAs is a conserved feature of seed development”的研究論文,伯克利大學(xué)Michael Freeling教授和亞利桑那大學(xué)Rebecca A.Mosher為該論文的通訊作者。
基因表達(dá)不僅受DNA序列調(diào)控,而且受化學(xué)修飾調(diào)控,如甲基化。小RNA在植物生殖組織中含量很高,尤其是24-nt小干擾RNA(siRNA)。大多數(shù)24-nt siRNA依賴于RNA Pol IV及RDR2,并能在RdDM過(guò)程中對(duì)數(shù)千個(gè)基因組位點(diǎn)建立DNA甲基化。
為了更好地了解siRNA在種子發(fā)育過(guò)程中的作用,作者對(duì)油菜種子不同發(fā)育時(shí)期(受精后10、14、19和24天)、不同發(fā)育部位(胚,胚乳和種皮)和成熟葉片進(jìn)行了小RNA測(cè)序,結(jié)合先前的小RNA測(cè)序數(shù)據(jù),作者最終尋找到84468個(gè)小RNA位點(diǎn),覆蓋了102.5Mb(29.6%)的油菜Ro-18基因組。
通過(guò)對(duì)未受精的胚珠和葉片中小RNA基因座的累積分布比較,發(fā)現(xiàn)胚珠中具有更高表達(dá)的基因座位點(diǎn)。進(jìn)一步對(duì)胚珠和葉片中24-nt siRNA顯性位點(diǎn)的累積表達(dá)分析結(jié)果顯示,胚珠中僅191個(gè)基因座(占胚珠表達(dá)基因座的1.51%)的累計(jì)表達(dá)貢獻(xiàn)就超過(guò)了90%。作者稱這種高siRNA信號(hào)位點(diǎn)為警報(bào)基因座。接下來(lái),作者在多個(gè)器官組織中比較了這些胚珠高表達(dá)位點(diǎn)的小RNA豐度,發(fā)現(xiàn)在胚珠和種皮中表達(dá)量是最高的,胚珠主要由被膜組成,而被膜是種皮的前體,說(shuō)明警報(bào)siRNA在受精前的母體組織中表達(dá),并在受精后的種皮、胚和胚乳中表達(dá)持續(xù)表達(dá)。
那么警報(bào)基因座在基因組上具有什么特點(diǎn)呢,作者將它們與其他類型的小RNA基因座進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)警報(bào)位點(diǎn)的中位大小為4238bp,顯著大于其它比較組。在拷貝數(shù)上,大多數(shù)警報(bào)基因座為單拷貝,非常獨(dú)特。
為了確定警報(bào)基因座是否與RdDM相關(guān),作者使用甲基化敏感的qPCR評(píng)估了六個(gè)隨機(jī)選擇的警報(bào)基因座的DNA甲基化,結(jié)果與預(yù)期一致,siRNA的積累使警報(bào)位點(diǎn)處的DNA甲基化。同時(shí),全基因組亞硫酸氫鹽測(cè)序結(jié)果顯示,警報(bào)基因座在胚珠中高度甲基化,這可能是siRNA在這些基因座上大量積累的結(jié)果。
在胚乳中,警報(bào)siRNA也表現(xiàn)出明顯的母體偏向性表達(dá)。
總而言之,從胚乳中檢測(cè)到的母體siRNA,暗示這些siRNA可能會(huì)從母體種皮轉(zhuǎn)移至子代組織,從而在子代中建立DNA甲基化。警報(bào)基因座是一類保守的具有母系偏向性的小RNA位點(diǎn)。警報(bào)基因座的存在為了解siRNA的表達(dá)和種子內(nèi)表觀基因組的動(dòng)態(tài)重塑提供了背景。