油菜中母體siRNA的大量表達是種子發(fā)育的保守特征（2020.6.19 Plant Biotechnology Journal ）

種子對于全球糧食供應來說至關重要，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)育過程是復雜的，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)育過程中十分重要，然而RdDM在該過程中的具體生物學功能仍不清楚。

RdDM通常與位于常染色質區(qū)域的轉座子的轉錄沉默相關并影響基因的表達。RdDM的標志是RNA聚合酶IV（RNA Pol IV）和依賴于RNA的RNA聚合酶2（RDR2）產生的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，該表型受到母體基因型控制，表明母體中siRNA水平可能對種子發(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Michael Freeling教授和亞利桑那大學Rebecca A.Mosher為該論文的通訊作者。

基因表達不僅受DNA序列調控，而且受化學修飾調控，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24-nt siRNA依賴于RNA Pol IV及RDR2，并能在RdDM過程中對數千個基因組位點建立DNA甲基化。

為了更好地了解siRNA在種子發(fā)育過程中的作用，作者對油菜種子不同發(fā)育時期（受精后10、14、19和24天）、不同發(fā)育部位（胚，胚乳和種皮）和成熟葉片進行了小RNA測序，結合先前的小RNA測序數據，作者最終尋找到84468個小RNA位點，覆蓋了102.5Mb（29.6%）的油菜Ro-18基因組。

通過對未受精的胚珠和葉片中小RNA基因座的累積分布比較，發(fā)現胚珠中具有更高表達的基因座位點。進一步對胚珠和葉片中24-nt siRNA顯性位點的累積表達分析結果顯示，胚珠中僅191個基因座（占胚珠表達基因座的1.51%）的累計表達貢獻就超過了90%。作者稱這種高siRNA信號位點為警報基因座。接下來，作者在多個器官組織中比較了這些胚珠高表達位點的小RNA豐度，發(fā)現在胚珠和種皮中表達量是最高的，胚珠主要由被膜組成，而被膜是種皮的前體，說明警報siRNA在受精前的母體組織中表達，并在受精后的種皮、胚和胚乳中表達持續(xù)表達。

那么警報基因座在基因組上具有什么特點呢，作者將它們與其他類型的小RNA基因座進行了比較，發(fā)現警報位點的中位大小為4238bp，顯著大于其它比較組。在拷貝數上，大多數警報基因座為單拷貝，非常獨特。

為了確定警報基因座是否與RdDM相關，作者使用甲基化敏感的qPCR評估了六個隨機選擇的警報基因座的DNA甲基化，結果與預期一致，siRNA的積累使警報位點處的DNA甲基化。同時，全基因組亞硫酸氫鹽測序結果顯示，警報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果。

在胚乳中，警報siRNA也表現出明顯的母體偏向性表達。

總而言之，從胚乳中檢測到的母體siRNA，暗示這些siRNA可能會從母體種皮轉移至子代組織，從而在子代中建立DNA甲基化。警報基因座是一類保守的具有母系偏向性的小RNA位點。警報基因座的存在為了解siRNA的表達和種子內表觀基因組的動態(tài)重塑提供了背景。