清华大学戚益军、遗传所李家洋合作揭示水稻分蘖调控的新机制

2020年2月19号，清华大学植物生物学研究中心戚益军课题组与中科院遗传与发育生物学研究所李家洋课题组联合在Molecular Plant 杂志在线发表了题为Regulation of Rice Tillering by RNA-directed DNA Methylation at Miniature Inverted-repeat Transposable Elements 的研究论文，揭示了小RNA介导的DNA甲基化在调控水稻分蘖的重要功能及机制。

植物中，由小RNA介导的DNA甲基化（RNA-directed DNA Methylation, RdDM)在转座子沉默和基因表达调控中起重要作用。RdDM由RNA聚合酶IV (RNA polymerase IV, Pol IV) 在靶位点转录产生RNA起始；随后，依赖RNA的RNA聚合酶2 (RNA-dependent RNA Polymerase 2, RDR2) 以Pol IV转录出的RNA为模板，合成双链RNA。双链RNA被Dicer-like 3 (DCL3)切割加工成长度为24-nucleotide (nt)的小RNA。这些小RNA与ARGONAUTE 4 (AGO4)蛋白结合，并进一步招募DNA甲基化转移酶DRM2，介导DNA从头甲基化（de novo DNA methylation）。人们对RdDM通路的认识主要来自于对模式植物拟南芥的研究。有意思的是，拟南芥RdDM通路的突变体没有明显的发育表型。这可能由于在拟南芥中， RdDM的主要靶标（转座子）聚集在着丝粒附近而远离基因。然而，在水稻中，转座子比较均匀地分布于染色体上，经常与蛋白编码基因邻近，甚至重叠。因此，论文作者推测，在水稻中，RdDM很有可能调控附近基因的表达，进而调控水稻生长发育。

为了验证上述推测，论文作者采用RNA干扰和CRISPR/Cas9基因编辑技术敲低或敲除了Pol IV复合体最大亚基OsNRPD1a/b。他们发现， OsNRPD1/b的敲低或敲除可导致植株矮化和分蘖数显著增多（图1）。这表明RdDM参与调控水稻分蘖和株高。

图1. OsNRPD1调控水稻分蘖

分蘖芽的形成和生长发生于水稻的茎基部。为了进一步探索RdDM调控分蘖的分子机制，作者使用茎基部为实验材料，对osnrpd1突变体进行了mRNA、小RNA和DNA甲基化的全基因组测序。测序结果表明，水稻中RdDM的主要靶标为一类名为Miniature Inverted-repeat Transposable Elements (MITEs)的转座子。进一步分析表明，在调控分蘖的重要基因OsMIR156d/j的启动子区域均存在两个相邻的MITEs；RdDM通过介导MITEs的甲基化抑制OsMIR156d/j的转录，从而调控成熟miR156及其靶基因IPA1在茎基部的积累。同时，作者还发现独脚金内酯受体D14编码基因的下游存在两个MITEs，RdDM通过特异性介导其中一个MITEs的甲基化促进D14在茎基部的表达，进而调控独脚金内酯通路下游信号转导和分蘖。

综上所述，该论文揭示了RdDM介导的MITEs甲基化通过抑制OsMIR156d/j和促进D14基因的表达，调控水稻分蘖。 该研究还意味着，在表观遗传水平调控重要农艺性状基因表达，在分子育种中有着潜在的应用价值。

清华大学生命科学学院植物生物学研究中心徐乐博士、中科院遗传与发育生物学研究所博士研究生袁坤为该论文的共同第一作者，清华大学戚益军教授和中科院遗传与发育生物学研究所李家洋研究员为共同通讯作者。