南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院楊東雷課題組闡明DNA從頭甲基化對于水稻生殖發(fā)育調(diào)控的機制

　　11月16日，Plant Physiology雜志在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院楊東雷課題組題為“Reinforcement of CHH methylation through RNA-directed DNA methylation ensures sexual reproduction in rice”的研究論文。轉(zhuǎn)基因育種作為一種現(xiàn)代生物技術(shù)，可以快速培育作物新品種。外源基因的轉(zhuǎn)入往往出現(xiàn)基因沉默現(xiàn)象，這阻礙了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全利用。為了闡明水稻轉(zhuǎn)基因沉默的分子機制，加快轉(zhuǎn)基因育種的推廣，楊東雷課題組利用EMS（ethyl methyl sulfonate）對35S::OsGA2ox1轉(zhuǎn)基因沉默材料進行誘變，構(gòu)建了突變體庫，并從中篩選出上百個突變體。

 

　　《西游記》中的孫悟空本領(lǐng)高強、神通廣大，大鬧天宮時被玉皇大帝請來的如來佛祖鎮(zhèn)壓。如來將孫悟空囚禁在五行山下，五百年后唐僧路過才將孫悟空救出。35S::OsGA2ox1轉(zhuǎn)基因可能插入到基因組的任何位置，類似于孫悟空無法無天；而基因沉默像是五行山，鎮(zhèn)壓轉(zhuǎn)基因與轉(zhuǎn)座子，因此篩選出的突變體被命名為fem（five elements mountain）。

 

　　本次發(fā)表的工作是轉(zhuǎn)基因沉默抑制子FEM1，通過圖位克隆與遺傳互補發(fā)現(xiàn)FEM1編碼RNA依賴的RNA聚合酶2（OsRDR2）。擬南芥的rdr2突變體不影響育性，然而水稻的fem1突變體幾乎不結(jié)實。fem1與野生型正反交均不結(jié)實，表明fem1的雌雄配子都不育。通過表型分析發(fā)現(xiàn)fem1從花藥分化、雄性生殖細胞減數(shù)分裂到花粉壁的填充等過程中都出現(xiàn)了異常。此外，fem1的胚囊結(jié)構(gòu)也存在很大比例的異常。這些結(jié)果表明FEM1對于水稻生殖發(fā)育具有不可或缺的調(diào)控作用。

 

　　全基因組甲基化測序分析發(fā)現(xiàn)，花序中的CHH類型的DNA甲基化水平明顯高于幼苗。進一步分析發(fā)現(xiàn)雄蕊與雌蕊中的CHH甲基化也同樣高于幼苗，而在fem1的花序、雄蕊與雌蕊中，CHH甲基化水平不再上升。大部分RdDM途徑的編碼基因在生殖器官中上調(diào)表達，F(xiàn)EM1/OsRDR2在花序、雄蕊和雌蕊等生殖器官中的蛋白水平較葉片、葉鞘和幼苗等營養(yǎng)組織升高。FEM1突變后生殖發(fā)育調(diào)控基因附件的CHH甲基化水平下降，影響了它們的轉(zhuǎn)錄表達，從而導致不育。

 

　　Figure 2. Increase of DNA methylation regulates gene expression in stamens

 

　　綜上，RdDM功能在生殖器官中上調(diào)造成全基因組CHH甲基化水平的上升，從而精細調(diào)控生殖發(fā)育基因的轉(zhuǎn)錄表達，進而保證水稻生殖發(fā)育的正常進行。

 

　　楊東雷為該論文的通訊作者，博士研究生王莉莉為第一作者，已畢業(yè)博士鄭克志、宜春學院曾龍軍老師、博士研究生徐大超以及已畢業(yè)碩士朱天心和殷雨萌共同參與了該工作，吳玉峰教授和占華東博士也提供了重要的幫助。該研究得到了國家自然基金面上項目、江蘇省杰出青年基金、轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ椇徒K省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心等經(jīng)費的資助。