水稻是世界上最重要的粮食作物之一,也是单子叶模式植物.随着高通量测序技术的发展和测序成本的下降,围绕水稻生长发育过程的转录组已有不少研究,然而对于相关基因的转录后调控了解却非常少.选择性多聚腺苷化(alternative polyadenylation,APA)作为一种重要的信使RNA转录后调控方式,广泛存在于真核生物中^[1],对转录本的编码功能、稳定性、可翻译性等产生重要的影响.因此,在全基因组范围内对水稻不同发育时期、不同组织的poly(A)位点轮廓进行研究具有重要意义.

2016年10月,李庆顺教授课题组与其合作者在《Genome Research》杂志上发表研究论文^[2],利用poly(A)标签测序(PAT-seq)技术对水稻日本晴品系发育过程中不同时期不同组织的14个样本的转录本进行3'-末端测序,共得到136 955 352个PAT,聚成68 220个poly(A)位点簇(PAC),分布于28 032个基因,其中有13 419个基因(47.9%)有2个或以上的PAC,说明在水稻发育过程中广泛发生APA现象.在水稻花粉中发现最多组织特异性的PAC,其中有约一半来源于表达基因的内含子区域; 进一步分析发现,这些特异性的PAC富集在能量代谢、重要氨基酸代谢以及防御等通路中.主成分分析(PCA)表明水稻花粉中具有明显不同的PAC表达模式,且花粉表达的基因内含子区域的PAC单核苷酸轮廓和poly(A)信号(PAS)与其他组织明显不同; 进一步研究发现水稻花粉的多聚腺苷化因子的表达水平与其他组织也不同,这暗示水稻花粉的多个生物学事件与其他组织的不同可能与其多聚腺苷化因子的表达水平变化有关.

在水稻发育过程中许多基因有APA位点变换现象,且发育的早期倾向于使用转录起始点远端的PAC,而后期倾向于使用近端的PAC,说明水稻发育过程中这些基因poly(A)位点使用具有倾向性.进一步研究发现APA位点变换现象能够改变基因的表达水平.通过统计学方法发现,数量性状位点(QTL)倾向于使用含有APA位点的基因,由此可以在不增加基因数量的前提下实现对QTL的微调(图1).特别值得一提的是,与QTL关联的高表达基因的PAC主要分布在植株高度、抽穗日数、穗数、千粒质量、分蘖数、根干质量、籽粒产量、穗长和穗数等,暗示APA在调控水稻与产量有关的农艺性状方面的应用潜能.

由内向外每圈代表一个组织,依次为干种子、胚胎、胚乳、萌发中的种子、幼芽、20 d的叶、60 d的叶、60 d的茎、5 d的根、60 d的根、外壳、花药、花粉以及雌蕊.最外圈分割为9大QTL区域和灰色区域代表的其他QTL区域.各小块的颜色代表PAT在QTL中的富集程度,颜色越深富集程度越高.

图1 水稻发育过程不同组织中含有APA位点的基因的PAT在QTL中的富集分析

该论文全面高精度地描绘了水稻发育过程中APA动态变化以及对产量性状关键基因表达调控的影响,为理解基因的转录后调控提供了崭新的认识; 同时也对水稻基因组注释提供了更加精确的数据,为将来水稻育种专家用于新品种选育提供了重要依据.