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最新观点| 水稻AGO1d通过介导生殖特异的phasiRNAs的生成和功能调控温敏雄性不育的作用机制

作者:王琳琳、侯全璨

水稻是关乎国计民生的重要粮食作物,探究其雄性不育的机制对我国两系和三系杂交育种,提粮食产量具有重要意义。phasiRNAs是一类内源性的、起调控作用的非编码小RNA,广泛存在于开花植物的生殖组织中,具有时空特异性。近年来研究发现21-和24-nt phasiRNAs功能缺失会导致水稻和玉米雄性不育。然而,在phasiRNAs生成过程中,与phasiRNA相关的ARGONAUTE(AGO)蛋白及miRNA仍然未知。

近日,中国农科院基因组所费启立课题组联合上海交通大学生命科学技术学院梁婉琪课题组和美国唐纳德·丹弗斯植物科学中心的Blake C Meyers团队在New Phytologist 上发表了题为“Temperature-sensitive male sterility in rice determined by the roles of AGO1d in reproductive phasiRNA biogenesis and function”的研究论文,揭示了水稻AGO1d通过介导生殖特异的21-和24-nt phasiRNAs的生成和功能调控温敏雄性不育的作用机制,此发现将有助于精确人工干扰phasiRNA途径,以产生新的光/温敏不育系,用于更广泛的作物杂交育种。

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在这项研究中,作者发现AGO1d蛋白在水稻花药小孢子母细胞减数分裂前和减数分裂阶段在花药四层壁细胞中特异性积累。通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑产生的ago1d 突变体与野生型水稻相比,花药形态正常且没有显示任何育性相关表型。但是,在低温环境下,ago1d 突变体表现出花药发育异常、花粉不育;在常温环境下,花药发育正常,花粉可育,即ago1d 突变体具有温敏雄性不育特征。进一步通过细胞学分析发现,在低温环境下,ago1d 突变体在花药发育的S10时期,绒毡层细胞程序性死亡异常,淀粉积累减少,花粉败育,从而导致结实率降低。

         

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图1.  ago1d突变体表型及细胞学特征

为探究其作用机制,作者对水稻花药进行了RIP-seq、小RNA-seq和转录组测序,分析发现AGO1d能够直接与miR2118和miR2275结合,且ago1d突变体花药中21-和24-nt phasiRNAs含量显著下降。同时,RIP-seq结果显示AGO1d可与5‘-末端尿苷(5‘-U)的21-nt phasiRNAs结合,而先前研究发现MEL1可与5‘-末端胞苷(5‘-C)的21-nt phasiRNAs结合,这表明AGO1d不同于MEL1,可以在phasiRNAs的生成和功能中具有双重作用。对转录组数据的分析发现,ago1d 突变体花药中AGO1d表达减少,说明AGO1同源物之间在转录水平上没有代偿。分析其他差异表达基因发现水稻花药发育时期关键调控通路的失调,如转录调控、糖代谢以及脂代谢的失调,这可能是导致低温下ago1d 突变体株系不育的原因。通过多组学和代谢分析,发现AGO1d可通过介导21-nt phasiRNAs生成和功能在糖酵解途径中负调控D-果糖1,6-二磷酸的合成,证实了phasiRNAs在调节糖代谢中的功能。

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图2. 水稻花药中phasiRNA的功能模型

综上所述,ago1d 功能丧失导致水稻花药发育关键时期细胞代谢失调,致使低温条件下花粉形成过程中绒毡层细胞PCD异常,导致雄性不育和结实率显著降低。

原文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18446

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