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张梅研究组揭示玉米花药减数分裂期特异表达24-nt phasiRNA对甲基化的功能

. 不同发育阶段和两个雄性不育突变体中24-PHAS上甲基化水平的变化

a-c)玉米花药发育半薄切片图:(a0.5 mm,细胞增殖分化期; b2.0 mm, 减数分裂期; c 4.0 mm, 双核期;(d24-PHAS在玉米花药不同发育时期(0.52.04.0 mm)的 CHH背景下的DNA甲基化水平;(edcl5-1雄性不育突变体及其可育对照植株中,24-PHASCHH甲基化水平的变化;(fms23不育突变体及其可育对照植株中,24-PHASCHH甲基化水平的变化;(g24-PHAS上丰度最高的一类24-nt phasiRNA和其他24-nt phasiRNA的丰度比较;(h24-PHAS上丰度最高的一类24-nt phasiRNA和其他24-nt phasiRNA对应基因组位置上的CHH甲基化水平比较。

    在植物中,phasiRNAphased,secondary,small interfering RNA)是非编码小RNA(s RNA)的一个重要类别,它在植物的生长发育、生殖以及抗病中发挥着重要作用。在玉米花药发育过程中,有两类phasiRNA大量产生。一类是在细胞增殖分化期大量产生的21-nt phasiRNA,另一类是在减数分裂期大量富集的24-nt phasiRNA。尽管在植物中,对phasiRNA如何行使功能还不明确,但是通过对玉米多个雄性不育突变体的研究表明,雄性不育突变体往往伴随着21-24-nt phasiRNA的缺失; 此外,相关研究还表明偏好在花药绒毡层细胞高度表达的24-nt phasiRNA,对于绒毡层细胞的正常发育至关重要。另外,Dukowic-Schulze2016指出,相对于玉米整个花药器官,24-PHAS在相同发育阶段花药性母细胞中的CHH甲基化水平更高。

基于以上结果中国科学院植物研究所张梅和斯坦福大学Walbot等研究组利用两个玉米雄性不育突变体dcl5-1(仅产生少量24-nt phasiRNATeng et al., 2020ms23(无24-nt phasiRNA产生),来探讨24-PHASCHH甲基化水平的提高是否和24-nt phasiRNA的大量产生有关。此研究利用sequence capture bisulfite-sequencing测序技术,对玉米雄性不育突变体dcl5-1ms2324-PHASCHH甲基化水平的变化进行分析,发现相对于正常可育的植株,突变体中CHH甲基化水平有着明显的降低。同时,在玉米花药发育减数分裂期前的细胞分化期,24-PHASCHH甲基化水平维持一个较低的状态。另外,由于在dcl5-1突变体中,24-PHAS的转录水平没有发生变化,因此推断玉米减数分裂期24-PHASCHH甲基化水平的提高依赖于24-nt phasiRNA的产生,而不是24-PHAS的转录。

       同时,研究发现尽管每个24-PHAS在不同位置会产生很多24-nt phasiRNA,但是对于单个PHAS,仅有一类(或少数几类)24-nt phasiRNA会大量产生。这一类(或少数几类)高度富集的24-nt phasiRNA在其基因组产生位点及邻近位置上往往有较高的CHH甲基化水平,因此推测24-nt phasiRNA作为一种顺式作用元件来对24-PHAS CHH甲基化水平的提高发挥作用。

       该研究成果于2020111号在线发表于国际学术期刊New Phytologist张梅研究员为通讯作者。张梅研究员和其课题组助理工程师马旭旭以及斯坦福大学生物学院Virginia Walbot教授为共同第一作者。该研究得到了中科院人才计划启动基金、美国国家科学基金会植物基因组研究项目和博士后国际交流计划派出项目等多个项目的支持。

 

文章链接:https://doi.org/10.1111/nph.17060


 

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