7月22日，“作物遺傳與種質創(chuàng)新國家重點實驗室”的水稻抗病遺傳育種課題組在《PNAS》在線發(fā)表了題為“The effect of RNA polymerase V on 24-nt siRNA accumulation depends on DNA methylation contexts and histone modifications in rice”的研究論文（Article）。

 

　　轉基因是創(chuàng)制抗病優(yōu)異種質，培育廣譜、高抗作物新品種的一項重要現代生物技術。但是外來基因的導入常常引起作物的基因沉默，育種家有時需要從上百個轉基因株系中認真比較，經過多代仔細篩選，才能挑選出穩(wěn)定表達的轉基因作物，這極大增加了轉基因育種的工作量，延緩了培育作物新品種的周期。為了闡明水稻轉基因沉默的分子機制，縮短水稻轉基因育種年限，楊東雷課題組利用35S::OsGA2ox1轉基因沉默的基礎材料，采取EMS誘變的方式構建了轉基因沉默的抑制子突變體庫。從中篩選出上百個fem（five elements mountain） 突變體。本次發(fā)表的工作是關于fem3的，通過圖位克隆他們發(fā)現FEM3編碼DNA依賴的RNA聚合酶V（Pol V）的最大亞基。

 

　　他們發(fā)現Pol V, 或Pol IV, 或OsRDR2突變都造成水稻的雌雄配子不育，這表明RdDM（RNA-directed DNA methylation）這一基因沉默分子通路對于水稻的生殖發(fā)育極其重要。全基因組甲基化測序與分析發(fā)現，Pol V缺失后，lncRNA無法轉錄，從而造成全基因組特別是基因旁鄰區(qū)域較短轉座子上的CHH類型的DNA甲基化幾乎全部喪失。小RNA測序與分析發(fā)現，水稻24-nt siRNA的合成幾乎全部依賴于OsRDR2和Pol IV，但只是部分依賴于Pol V。進一步比較分析發(fā)現，在低CG甲基化、低CHG甲基化和高CHH甲基化的區(qū)域，24-nt siRNA合成依賴Pol V。而在高CG甲基化、高CHG甲基化和低CHH甲基化的區(qū)域，24-nt siRNA的合成不依賴于Pol V。詳細分析DNA的堿基組成發(fā)現，24-nt siRNA的合成依賴于Pol V的區(qū)域含有較高的AT含量，而24-nt siRNA的合成依賴于Pol V的區(qū)域含有較高的GC含量。對osdrm2和osmet1兩個突變體的甲基化組，siRNA轉錄組整合分析發(fā)現，在24-nt siRNA的合成依賴于Pol V的區(qū)域，CG甲基化與CHH類型的甲基化相互依賴，它們協(xié)同招募Pol IV-OsRDR2進而合成24-nt siRNA。這些24-nt siRNA的合成又反饋介導了DNA甲基化，形成siRNA-DNA 甲基化相互加強的閉環(huán)。

 

　　那么在24-nt siRNA的合成不依賴于Pol V的區(qū)域是什么因子招募Pol IV-OsRDR2進而合成24-nt siRNA呢？他們通過分析各種組蛋白修飾，發(fā)現激活型組蛋白修飾如H3K4ac, H3K9ac等在依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域富集，而抑制型組蛋白修飾H3K9me1和H3K9me2的豐度在不依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域較高。24-nt siRNA合成依賴于Pol V區(qū)域旁鄰基因的轉錄水平明顯高于不依賴于Pol V的24-nt siRNA旁鄰基因的轉錄水平。這些研究結果說明依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域位于水稻的常染色質，而不依賴于Pol V的24-nt siRNA區(qū)域位于水稻的異染色質。

 

　　這項首次在水稻中進行的轉基因沉默機制的系統(tǒng)研究，對于加速培育轉基因作物提供了重要的理論指導。并且，這篇論文首次詳細鑒定了單子葉植物Pol V的生物學功能，闡明了水稻中Pol V差異化調節(jié)siRNA合成的分子機制，為理解水稻表觀基因組提供了新的認識。

 

　　論文第一作者單位與通訊作者單位均為南京農業(yè)大學。博士研究生鄭克志為第一作者，博士研究生王莉莉和前沿交叉研究院曾龍軍為該論文共同第一作者，楊東雷為唯一通訊作者。此外，農學院高夕全教授和福建農林大學郭忠新教授對該工作也有貢獻。該研究得到了國家自然基金面上項目、轉基因專項、江蘇省自然基金杰出青年基金、“萬人計劃”－青年拔尖人才、江蘇省現代作物生產協(xié)同創(chuàng)新中心等基金的資助，高通量測序數據分析工作在南京農業(yè)大學生物信息中心平臺完成。

 

　　2015年，課題組負責人楊東雷作為高層次引進人才加入南農后，以水稻為研究作物，關注抗病信號轉導、抗病與產量性狀之間的互作。引進到南農后，研究成果以通訊作者或第一作者在 Nature Plants、PNAS、Cell Research、Molecular Plant、Cell Discovery、Plant Physiology等期刊上發(fā)表8篇SCI論文。2017年獲得江蘇省杰出青年基金，2019年入選南京農業(yè)大學鐘山學者計劃－青年學術骨干（B類）稱號， 2020年獲得中組部“萬人計劃”－青年拔尖人才資助。