山东大学生命科学学院向凤宁团队揭示GmDFB1抑制siRNA和miRNA介导的靶基因沉默调控大豆花器官发生的新机制

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-13 16:54

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大多数真核生物存在RNA质量监控 (RNA quality control, RQC) 系统，监测mRNA质量，通过辅助因子SKI7和SKI复合物与具有3'-5'核糖核酸外切酶的RNA外泌体 (RNA exosome) 降解异常mRNA；当RQC系统出现缺陷时，异常mRNA触发siRNA的合成。siRNA和miRNA等小RNA分子通过结合到ARGONAUTE（AGO) 蛋白上形成RNA诱导沉默复合物 (RISC)，引起RNA沉默 (Liu and Chen, 2016)。

花发育是植物种子形成的基础，直接影响产量和品质。目前，有关RNA转录后沉默调控花发育机理的研究已有报道 (D'Ario et al., 2017; Dong et al., 2022; Kryovrysanaki et al., 2022)，但RQC系统在花器官发育中的功能和调控机制并不清楚。此外，AGO蛋白 (尤其AGO1) 是RNA转录后沉默的重要组分，发掘调控AGO1活性的组分具有重要意义。

近日， JIPB 在线发表了山东大学生命科学学院向凤宁教授课题组题为 “GmDFB1, an ARM repeat superfamily protein, regulates floral organ identity through repressing siRNA- and miRNA-mediated gene silencing in soybean” 的研究论文 ( https://doi.org/10.1111/jipb.13709 )，揭示了ARM repeat超家族蛋白GmDFB1通过抑制siRNA和miRNA介导的靶基因沉默调控大豆花器官发生的分子机制，为深入理解大豆花发育提供了新线索。

该研究利用大豆EMS诱变突变体库，筛选出1个大豆多花且花器官异常突变体 Gmdfb1-1 ，表现为次级花数目增加、无花瓣、雌雄蕊发育异常及不育的表型。基于图位克隆与BSA-seq结合的方法分离了 Gmdfb1-1 突变基因，发现其表型是由ARM repeat超家族蛋白GmDFB1第9个内含子剪切位点突变，导致蛋白质编码提前终止而造成的。GmDFB1在各个花发育时期均高度表达， Gmdfb1-1 突变体中除A类基因外，BCDE类基因均显著下调表达，表明该基因参与大豆花器官发生的调控 (图1)。

图1. Gmdfb1 突变体表型鉴定、基因分离及验证

生化实验结果表明，GmDFB1与RNA外泌体辅助因子GmSKI7相互作用协同降解异常mRNA， GmDFB1 基因突变导致次级siRNA产生，抑制花器官发生相关基因表达。此外，GmDFB1结合在GmAGO1 PIWI结构域抑制后者对mRNA剪切， GmDFB1 突变增强了GmAGO1对靶基因剪切效率。进一步sRNA-seq分析表明， Gmdfb1-1 花序中siRNA和miRNA大量积累，引起大量的花器官发育相关靶基因如 AP2 、 CUC2 、 PHB 、 REV 、 TCP2 、 TCP10 和 TCP11 等表达下调，导致 Gmdfb1-1 无花瓣和雌雄蕊异常等发育缺陷 (图2)。

图2. GmDFB1参与RNA代谢和沉默调控大豆花发育的工作模型

综上，该研究揭示了ARM repeat超家族蛋白GmDFB1通过结合RQC系统组分SKI7及RISC 组分AGO1影响大豆花器官发育的机理，为大豆花型改造提供新基因资源，有助于解决大豆杂种优势利用中存在的异花传粉困难的问题。

山东大学博士研究生李洁为该论文第一作者，山东大学 向凤宁 教授为通讯作者，该工作得到了中国农业科学院刘斌研究员的指导。该研究获得国家重点研究发展计划 (2021YFF1001201，2022YFF1001601-4)、山东省重点研发计划 (2023LZGC008，2021LZGC003)、国家科技创新2030重大项目 (2023ZD04360102)、山东-国家基金委联合基金 (U1906203)、国家转基因重大专项(2016ZX08010002-009，2018ZX08009-14B) 的资助。

参考文献：

D'Ario, M., Griffiths-Jones, S., and Kim, M. (2017). Small RNAs: Big Impact on Plant Development. Trends Plant Sci. 22: 1056–1068.

Dong, Q., Hu, B., and Zhang, C. (2022). microRNAs and Their Roles in Plant Development. Front. Plant Sci. 13: 824240.

Kryovrysanaki, N., James, A., Tselika, M., Bardani, E., and Kalantidis, K. (2022). RNA silencing pathways in plant development and defense. Int. J. Dev. Biol. 66: 163–175.

Liu, L., and Chen, X. (2016). RNA Quality Control as a Key to Suppressing RNA Silencing of Endogenous Genes in Plants. Mol. Plant 9: 826–836.

文章引用：

Li, J., Zhang, W., Lu, Q., Sun, J., Cheng, C., Huang, S., Li, S., Li, Q., Zhang, W., Zhou, C., et al.

山东大学生命科学学院向凤宁团队揭示GmDFB1抑制siRNA和miRNA介导的靶基因沉默调控大豆花器官发生的新机制

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