PBJ | 曹晓风院士/杨荣新／付春祥等团队合作解析柳枝稷miR528负调节分蘖和刈割后再生速率的分子机制

2023年11月10日 0条评论 989次阅读 0人点赞

柳枝稷(Panicum virgatum L.)是一种优良、高产的多年生C4草本植物，能适应寒冷、炎热和干旱等各种环境胁迫，并具备水土保持的功能，被广泛应用于能源草、牧草和生态修复等领域。柳枝稷生物量高，生产成本低、在种植和收获过程中具有较大的经济优势，是生产纤维素、乙醇等生物燃料的理想原料。此外，柳枝稷由于具有高质量的参考基因组和成熟的转化体系，目前已成为研究能源植物的模式物种。

miR528是一类单子叶植物特有的miRNA成员，最早由中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风团队在水稻中鉴定。后续发现miR528在不同的单子叶植物中，通过调控不同靶mRNA，参与多样的生物学过程调控。例如水稻miR528靶向RFI2调控开花时间，靶向AAO调控水稻抗病毒防御，靶向蓝铜蛋白家族成员UCL23调控花粉粒发育；玉米miR528靶向ZmLAC3调控高氮条件下的抗倒伏能力；香蕉miR528通过靶向PPO基因，调控了低温条件下的果皮褐变的过程。但miR528在多年生牧草柳枝稷中的具体生物学功能尚不清楚。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士、南昌大学生命科学学院杨荣新教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所付春祥研究员在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Blocking miR528 function promotes tillering and regrowthin switchgrass”的研究论文，揭示了柳枝稷miR528-Cu/Zn-SOD分子模块调控柳枝稷分蘖和刈割后再生能力的分子机制，为多年生牧草的定向遗传改良提供了全新的靶点。

研究者通过同源序列比对分析以及实验验证，证实了柳枝稷基因组中存在4个MIR528的拷贝(图1)。相比于绝大多数的二倍体的单拷贝，MIR528在柳枝稷中发生了加倍，暗示miR528在柳枝稷中具有重要的功能。

图1：MIR528在柳枝稷基因组中存在4个拷贝

为了探究柳枝稷中miR528的调控功能，作者通过Short Tandem Target Mimic (STTM)和CRISPR/Cas9基因编辑技术分别创制了miR528功能抑制和缺失株系。表型观察均发现，干扰miR528功能后，柳枝稷具有明显的分蘖数增多且刈割后生长速率加快的表型(图2)。

图2：干扰miR528功能增强柳枝稷分蘖能力

进一步通过降解组结合转录组分析，研究人员鉴定到了Cu/Zn-SOD是柳枝稷中miR528的直接靶基因,并且都在分蘖芽中高表达(图3a)。并提供多方证据暗示miR528-Cu/Zn-SOD很可能通过调节侧生分生组织中活性氧水平，从而调控柳枝稷侧芽的生长发育(图3b)。

图3：柳枝稷中miR528调控分蘖的工作模型。

此外，研究人员对Cu/Zn-SOD 的miR528调控序列进行分析，发现在C3和C4植物中存在自然变异，引起miR528对于Cu/Zn-SOD切割效率的不同（图4）。暗示miR528-Cu/Zn-SOD 可能在C3和C4植物分化中发挥作用。

图4：C3和C4植物中SODs的自然变异影响miR528的切割效率

中国科学院遗传与发育生物学研究所与南开大学联合培养的客座博士研究生韩祥艳、曹晓风研究组博士后唐善杰以及天津师范大学马轩副教授为该论文共同第一作者，曹晓风研究员、杨荣新教授和付春祥研究员为共同通讯作者，付春祥课题组刘文文副研究员和杨瑞娟博士、曹晓风研究组宋显伟青年研究员和张率斌副研究员等也参与了该研究。相关工作得到了中国科学院先导专项、国家重点研发计划、基金委及内蒙古自治区科技重大专项等项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14218

文章来源：植物生物技术Pbj

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