Nat Communi：分子植物创新中心何玉科组揭示miRNA调控新机制

来源：iPlants 

2020年10月22 日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所的何玉科课题组在Nature Communications发表了题为“Natural antisense transcripts of MIR398 genes suppress microR398 processing and attenuate plant thermotolerance”的研究论文。该研究发现了天然反义转录本调控miRNA生物合成的新机制，探索了通过遗传改良增强作物抗热性的潜力。

在真核生物中，非编码RNA和miRNA能参与多种多样的生命过程，并且能够被广泛应用于生产。有研究表明天然反义转录本（NATs）在调节植物的基因表达中也具有关键作用。天然反义转录本（natural antisense transcripts，NATs）是一类广泛存在于动植物基因组中的编码或非编码RNAs分子，它与正义转录本互补，在转录水平或转录后水平调节正义基因的表达，在植物胁迫响应中具有重要的调控作用1, 2, 3。然而，目前尚不清楚天然反义转录本与miRNA之间的调控关系。

通过对白菜和拟南芥全基因组和转录组测序数据的分析，作者发现一系列MIRNA基因具有顺式天然反义转录本，包括白菜中的BrpMIR398b-1和BrpMIR398b-2以及拟南芥中的MIR398b和MIR398c。拟南芥中共有三个MIR398基因，MIR398a，MIR398b和MIR398c，作者通过CRISPR/Cas9敲除实验发现MIR398b和MIR398c产生成熟miR398的量要远远高于MIR398a所产生的量，表明MIR398b和MIR398c在miR398的产生中起主效作用。

为了了解MIR398反义基因的功能，作者首先分析了MIR398b/c和NAT398b/c在拟南芥植株中的表达模式，启动子连GUS的转基因植株检测表明，MIR398b和MIR398c分别与它们的反义基因NAT398b和NAT398c共表达。作者构建的过表达NAT398b和NAT398c转基因植株中，pri-miR398b或pri-miR398c的表达量减少，降低了miR398的表达水平，引起靶标基因的上调；而在NAT398b和NAT398c knockdown植株中，NAT398b和NAT398c基因的表达降低，pri-miR398b或pri-miR398c的表达增加，增加了miR398的表达水平，引起miR398靶标基因的下调，这些结果证明MIR398反义基因调控miR398的生物合成。利用CRISPR/Cas9方式获得的CRNAT398b植株不影响pri-miR398b和miR398靶标基因的表达，排除了NAT398b编码蛋白质调控miR398生物合成的可能性。

图1. NAT398b/c可以抑制pri-miR398b/c的表达量

接下来作者通过RNA酶保护实验表明NAT398b和NAT398c转录本分别与pri-miR398b和pri-miR398c形成双链结构。进一步的烟草中瞬时转化实验，RACE实验和RNA降解速率测定实验表明过表达NAT398b和NAT398c分别增加pri-miR398b和pri-miR398c的降解速率，而knockdown NAT398b和NAT398c分别降低pri-miR398b和pri-miR398c的降解速率。这些结果表明NAT398b/c可以降低pri-miR398b/c的稳定性。作者通过sRNA深度测序，还发现了一些21 nt的nat-siRNA，检测发现nat-siRNA在过表达NAT398b的转基因植株中累积表达。且过表达nat-siR398-1能有效抑制pri-miR398b/c的表达量。

图2. NAT398b/c可以降低H2O2的积累和植株抗热性

为了解这种调控作用对植物生理功能的影响，作者检测了植物的抗热性。结果表明，过表达NAT398b和NAT398c基因减弱植株的抗热性，降低NAT398b和NAT398c基因的表达量则增强植株的抗热性。即NAT398b/c可以通过调控miR398的生物合成来调控植物抗热性。此结果丰富了miRNA生物合成的理论，为解释植株抗热性或其他非生物胁迫抗性的分子机制，在遗传上改良植物抗逆性提供了科学依据。

图3. MIR398b/c和它们的cis-NATs之间的调控模式图

何玉科研究组的博士毕业生李亚洁为该文的第一作者。何玉科研究员和杨军副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划经费的资助。何玉科课题组长期以模式植物拟南芥和近缘的蔬菜作物大白菜为主要研究对象，探索miRNA生物合成和基因沉默的分子机制，为了解植物极性建立、细胞分裂和生长素应答等生理过程的调控作用，研究作物叶卷曲、雄蕊发育、春化作用和抗热过程中非编码RNA的调控作用，开展芸薹属蔬菜作物重要农艺性状基因的遗传定位和分子育种作出重要贡献。 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19186-x

参考文献：

1. Borsani O, Zhu J, Verslues PE, Sunkar R, Zhu JK. Endogenous siRNAs derived from a pair of natural cis-antisense transcripts regulate salt tolerance in Arabidopsis. Cell 123, 1279-1291 (2005).

2.Zhan S, Lukens L. Protein-coding cis-natural antisense transcripts have high and broad expression in Arabidopsis. Plant Physiol 161, 2171-2180 (2013).

3. Wang H, et al. Genome-wide identification of long noncoding natural antisense transcripts and their responses to light in Arabidopsis. Genome Res 24, 444-453 (2014).