中國農業大學揭示玉米可變剪接自然變異遺傳調控機制

近日，The Plant Cell雜誌在線發表了中國農業大學國家玉米改良中心田豐教授團隊與楊小紅教授團隊合作題為「Genome-Wide Association Analyses Reveal the Importance of Alternative Splicing in Diversifying Gene Function and Regulating Phenotypic Variation in Maize」的研究論文。該研究揭示了可變剪接在豐富基因功能和調控表型變異方面發揮的重要作用。

可變剪接，又稱選擇性剪接，是指前體mRNA通過選擇不同的剪接位點，將內含子切除，把不同的外顯子連接在一起從而產生多種成熟mRNA剪接異構體的過程。可變剪接在真核生物中廣泛存在，是調節基因表達和產生蛋白質組多樣性的重要機制。為了解析可變剪接自然變異的遺傳調控基礎，揭示可變剪接如何與其他分子調控機制偶聯以及可變剪接對錶型變異的貢獻，研究團隊以368份玉米自交系的未成熟籽粒為研究材料，利用先前發表的轉錄組數據分析了玉米全基因組水平的可變剪接情況，並利用全基因組關聯分析（GWAS）方法進行了可變剪接變異數量性狀位點（splicing quantitative trait locus, sQTL）定位。研究發現玉米基因組中超過50%的基因存在可變剪接，內含子保留為最主要的可變剪接方式。可變剪接自然變異遺傳結構相對簡單，順式調控效應遠遠高於反式調控效應。分析sQTL的效應發現僅有25%的sQTL存在不同基因型間主要轉錄本的轉換，大部分sQTL僅涉及到較小剪接比的變化。深入分析sQTL的調控特徵發現，sQTL所調控的轉錄本傾向具有不同的蛋白功能，並且無義介導的mRNA降解（nonsense-mediated mRNA decay, NMD），microRNA以及小干擾多肽（small interfering peptides, siPEPs）頻繁參與sQTL調控，說明可變剪接除了增加轉錄組和蛋白質組的多樣性外，也通常與不同層次的分子調控機制偶聯調控基因的表達和翻譯。研究還觀察到可變剪接與基因總體表達水平受相對獨立的遺傳調控，體現在對順式調控元件的不同偏好性上。通過鑒定全基因組反式剪接調控因子，發現一個編碼甘氨酸富集RNA結合蛋白ZmGRP1調控大量下游基因的可變剪接，並利用CRISPR/Cas9敲除系證實了ZmGRP1對可變剪接的調控作用。研究進一步發現很多sQTL直接與表型性狀QTL共定位，並且大多數共定位的sQTL不影響基因總體表達水平的變化，說明可變剪接對錶型變異發揮了重要作用。該研究為理解可變剪接的遺傳與分子調控機制提供了重要參考，同時也為研究表型變異提供了重要線索。

該研究由中國農業大學和華中農業大學合作完成，中國農業大學陳秋月博士、韓英佳博士和華中農業大學劉海軍博士為論文共同第一作者，中國農業大學田豐教授和楊小紅教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、青年千人計劃和中央高校基本科研業務費專項資金的支持。

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