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小分子RNA在植物生长发育过程中发挥着重要调控作用,是功能基因组学的重要研究对象。其中,phasiRNA是一类需要miRNA诱导,并被Dicer-like蛋白连续切割成具有相位分布特征的小RNA。禾本科植物生殖发育阶段的幼穗中大量表达phasiRNA,其主要来自于基因间区,包括21nt和24nt两种类型,分别被miR2118和miR2275诱导,产生phasiRNA的位点称为PHAS位点。phasiRNA合成途径一些关键基因的突变会造成禾本科植物雄性不育,水稻中一些PHAS位点甚至与光敏雄性不育这一重要性状相关。然而,phasiRNA以何种方式发挥功能,是否有明确的靶位点,以及在雄性生殖发育过程中扮演何种角色依然未知。因此,我们在稻属基因组中开展了phasiRNA的比较和进化研究。 稻属是比较基因组学与进化基因组学研究的模式系统,其丰富的基因组学资源对于深入研究PHAS位点的基因组特征和进化规律提供了很好的数据基础。本研究以稻属内具有明确进化关系的5个种为对象,包括AA组的水稻(Oryza sativa L.)、普通野生稻(Oryza rufipogon)和非洲栽培稻(Oryza glaberrima),BB组的斑点野生稻(Oryza punctata)以及FF组的短花药野生稻(Oryza brachyantha),分别对其生殖发育阶段的幼穗进行了高通量的小RNA和降解组测序。此外,结合已有的水稻多组学数据,对trigger miRNA、PHAS位点以及产生的phasiRNA展开了系统的比较分析,并对phasiRNA的靶位点以及可能的功能进行了探讨。 首先,针对trigger miRNA,研究发现miR2118和miR2275在禾本科物种中发生了扩张与分化,miRNA成熟序列多样性高。miR2118和miR2275在基因和基因间区均存在大量靶位点,其中miR2118如双子叶植物中的报道一样,也作用于NB-LRR抗病基因。但是,trigger miRNA偏向于诱导非编码RNA产生phasiRNA,对大部分编码基因位点只发生剪切,而不产生明显的phasiRNA。其次,针对PHAS位点,本研究在稻属5个物种中鉴定了大量的21-PHAS和24-PHAS位点,发现两者在转座子比例、分布位置、序列GC组成、保守性以及DNA甲基化修饰均存在差异。同一PHAS中,phasiRNA含量存在明显的不均等,并且与其序列GC组成有关。PHAS位于基因组的高突变区,序列不保守但位置保守,遵循识别位点偏向的进化选择模式。此外,PHAS位点的扩张主要通过局部区域的串联重复形成。再次,对于phasiRNA的功能研究发现,具有5“U”的21-phasiRNA倾向于具有靶基因剪切功能,并且主要以顺式方式作用于PHAS区域,但其功能位点大多是新近形成的,保守性较弱;24-phasiRNA可能在其自身区域介导RdDM。另外,本研究新发现miR2118可以通过其反义转录本产生的phasiRNA对自身形成反馈调节,对phasiRNA的合成进行精确调控。总之,这些结果部分揭示了phasiRNA的功能方式,而且PHAS的进化特征能够反映其功能特征,因而对于理解生殖阶段phasiRNA的产生规律以及生物学意义具有重要启示。