何玉科研究组揭示天然反义转录本调控microRNA生物合成和植物抗热性的新机制

科研进展

白菜花序

2020年10月22日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所何玉科研究组在Nature Communications发表了题为“Natural antisense transcripts of MIR398 genes suppress microR398 processing and attenuate plant thermotolerance”的学术论文。该研究组长期从事miRNA生物合成分子机制及其应用技术的研究，曾经在模式植物拟南芥和蔬菜作物白菜中识别出大批miRNA基因的天然反义转录本（natural antisense transcripts，NATs），新发表的论文首次报道了miR398基因天然反义转录本调控miR398生物合成和植物抗热性的新机制，该结果为人们深入探究生物体内基因沉默和表达调控的秘密，在实践中通过miRNA和天然反义转录本改良作物重要农艺性状提供了科学依据。

研究过程

在真核生物中，miRNA参与多种多样的生命过程，天然反义转录本是一类广泛存在于动植物基因组中的编码或非编码的RNAs分子，它与正义基因互补，在转录水平或转录后水平调节正义基因的表达。然而，目前尚不清楚天然反义转录本与miRNA之间的调控关系。通过对白菜和拟南芥全基因组和转录组测序数据以及相关数据库的分析，作者发现一系列MIRNA基因的顺式天然反义转录本，包括白菜中的BrpMIR398b-1和BrpMIR398b-2以及拟南芥中的MIR398b和MIR398c。作者首先分析了MIR398b/c和NAT398b/c在拟南芥植株中的表达模式，发现MIR398b和MIR398c在维管束组织中分别与它们的反义基因NAT398b和NAT398c共表达。作者培育了过表达NAT398b和NAT398c的转基因植株，发现其转基因植株中pri-miR398b或pri-miR398c表达量和miR398水平显著降低， miR398靶标基因CSD1上调。人为降低它们反义基因NAT398b和NAT398c表达水平，则分别增加了pri-miR398b或pri-miR398c和miR398的积累，引起miR398靶标基因的下调。结果表明，MIR398反义转录本调控miR398的生物合成。RNA酶保护实验表明，NAT398b和NAT398c转录本分别与pri-miR398b和pri-miR398c形成双链结构。如果增加NAT398b/c的表达，植株叶片中pri-miR398b/c降解速率增加，pri-miR398b/c的表达量会显著降低，表明NAT398b和NAT398c分别降低pri-miR398b和pri-miR398c的稳定性。作者通过sRNA深度测序发现了一些21 nt的nat-siRNA，人工过表达nat-siR398-1有效抑制了pri-miR398b/c的表达（图1）。

图1. MIR398b/c和它们的cis-NATs之间的调控模式图

研究结果

为了确认miR398基因天然反义转录本的生物学效应，作者检测了过表达和knockdown NAT398b和NAT398c转基因植株的抗热性。结果表明，过表达NAT398b和NAT398c基因减弱转基因植株的抗热性，人工降低NAT398b和NAT398c基因的表达量则增强转基因植株的抗热性。这些结果表明，MIR398b/c反义转录本的存在是在削弱植物的抗热性，并且NAT398b/c是通过调控miR398的生物合成来调控植物抗热性。

何玉科研究组合影

相关情况

何玉科研究员的博士毕业生李亚洁为第一作者，何玉科研究员和杨军副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的资助。