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生命科学大学田大成课题组在玉米高产性状的钻

发布时间:2019-11-03 04:02编辑:环球彩票登录网址浏览(187)

    多基因控制的复杂性状对于生物适应环境和人工选择有着重要意义,其中包含了众多有着巨大科学价值和经济价值的性状,高产性状就是一种典型的多基因控制的复杂性状。但是由于在复杂性状中,基因控制方式较为复杂,单个基因可能只有较小的表型效应,解析复杂性状的控制基因一直是比较困难的。

    复旦大学生命科学学院、遗传工程国家重点实验室教授杨金水课题组和副教授苏伟合作研究,从一个水稻产量性状相关基因簇LRK(leucine-rich repeat receptor kinase)上游鉴定到一例长链非编码转录物,命名为LAIRLRK cluster intergenic antisense RNA)。水稻中LAIR的过表达可以引起LRK基因簇部分基因的转录上调,改变LRK1基因组位点的组蛋白修饰状态,并在植株水平产生显著的增产表型。8月29日,相关研究成果以《水稻长链非编码RNA LAIR过表达增加产量并调控邻近座位基因簇表达》(“Overexpressing lncRNA LAIR increases grain yield and regulatesneighbouring gene cluster expression in rice”)为题在线发表于《自然·通讯》(NatureCommunications)。2012年,Djebali等人通过高通量转录组测序发现,真核生物基因组产生大量不具有蛋白质编码能力、功能尚未明确的转录产物,即称为遗传“暗物质”的非编码RNA。其中,长度大于200 nt的一类大型转录产物长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA),作为重要的调控因子广泛参与多样化的生物学进程,这一现象被多个研究团队证实。近年来的热点研究认为,lncRNA可以作为分子骨架,结合多类染色质修饰复合体并定位于基因组特异性位点,通过表观遗传修饰来调控相应基因表达。目前在植物中,lncRNA的研究结果相对有限,尤其在作物品种水稻中,与产量性状相关的lncRNA尚未报道。该课题组早在2006年就在水稻中定位到一个QTL(Quantitative Trait Locus)位点,可以显著提高田间产量。精细定位最终锁定一个含有8个LRR(leucine-rich repeat)-Kinase编码基因的基因簇,命名为水稻产量基因LRK基因家族。在此基础上,研究团队进一步从LRK基因簇上游5’端区域,位于LRK1座位处,鉴定到一例反义链转录物LAIRLRK1位于LAIR第一个内含子中,两者之间没有序列重叠区。LAIR过表达能够激活部分LRK基因表达水平,并在水稻植株水平表现出产量性状显著改良表型。基因组表观遗传分析发现,过表达LAIR的株系中在转录激活的LRK1基因染色质区域存在组蛋白H3K4me3和H4K16ac修饰富集信号。此外,染色质修饰蛋白OsMOF和OsWDR5也富集于LRK1基因组区域。与此同时,研究团队还发现,LAIR能够在水稻细胞内结合染色质修饰蛋白OsMOF和OsWDR5,并可与LRK1基因的5’-和3’-非翻译区特异互作。环球彩票登录网址 1图:LAIR激活调控LRK基因簇并改良产量性状a. LAIR转录自LRK基因簇上游反义链;b. LAIR过表达产生增产表型;c. LAIR激活调控LRK基因簇;d. LAIR调控功能模式图。本研究首次在水稻中鉴定到一例与产量性状相关、起转录激活作用的lncRNA,可能经由表观遗传途径,调控一个基因簇的表达。这一植物lncRNA分子功能研究领域的重要发现将为农作物的遗传改良带来新的思路和途径。复旦大学生命科学学院、遗传工程国家重点实验室博士王莹为论文第一作者,苏伟和杨金水为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划“水稻功能基因组研究与应用”项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海市科技兴农重点攻关农业种质资源创新基础研究项目的基金资助。论文链接:)

    田大成课题组以水稻“绿色革命”中的关键品种“奇迹稻”IR8的系谱为主要研究材料,对IR8的亲本和后代等主要品种进行全基因组测序,鉴定出有28个基因组片段在杂交和选育过程中不断地受到强烈的人工选择,在IR8所有后代始终得到继承。在进一步结合群体遗传学数据的基础上,从这些片段中筛选出可能与高产性状相关的129个基因位点。在这些基因位点中,有6个为已报道功能的基因,其中包括绿色革命的关键基因sd1。为了对其余123个功能未知基因进行功能验证,随机挑选出了57个进行CRISPR-Cas9敲除或敲低实验,结果表明这些基因中有较高比例具有必须功能或能影响与水稻产量相关的性状,许多基因敲除后表现出了明显的株高降低,而这也正是绿色革命中的关键性状。此外敲除突变体还表现出了生育期、育性、穗型等多种与水稻产量密切相关的表型变化。本项研究鉴定出了大量水稻高产相关基因,提供了一种有效的探索复杂性状相关基因的方法。

    Fig.1 系谱结构与受选择基因鉴定流程图

    生命科学学院田大成课题组在水稻高产性状的研究中取得重要进展,其研究成果《Identifying a large number of high-yield genes in rice by pedigree analysis, whole-genome sequencing, and CRISPR-Cas9 gene knockout》(结合系谱分析,全基因组测序和CRISPR-Cas9基因敲除鉴定出水稻高产相关基因)在重要综合性期刊《PNAS》在线发表。我校田大成教授是该论文的第一通讯作者,博士后黄驹和李婧博士是该论文的共同第一作者。

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    (生命科学学院 科学技术处)

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    该研究得到国家转基因生物新品种培育重大专项(No. 2016zx08009001-003)、国家自然科学基金项目(No. 91731308和No. 31571267)、中央高校基础科研经费的支持。该研究的顺利实施,也得到南京大学仙林校区作物分子遗传实验站的支持。

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