多倍体，特别是异源多倍体，是植物物种形成的主要途径。许多重要农作物均是典型的异源多倍体物种。异源多倍体中序列高度相似的亚基因组（亲本基因组）同源基因常被认为具有高度的适应可塑性，是形成多倍体优势的潜在原因。亚基因组间的重复性常常导致异源多倍体在结构和功能层面的基因组不对称性，但其分子机制一直模糊不清，尤其是从转录后调控层面的解析甚至鲜有报道。
近日，东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室张铧坤团队与英国约翰英纳斯中心 (John Innes Centre) 丁一倞团队合作在Genome Biology发表了题为Wheat in vivo RNA structure landscape reveals a prevalent role of RNA structure in modulating translational subgenome expression asymmetry的研究论文，揭示了RNA结构在异源多倍体小麦翻译亚基因组不对称性中的主导作用。
该研究利用RNA二级结构组 (SHAPE-Structure-seq) 和多聚核糖体分析技术 (polysome profiling) 首次发表了多倍体小麦体内RNA结构组和翻译组数据，填补了植物体内，尤其是多倍体背景下，有关mRNA二级结构组及mRNA二级结构对翻译调控的研究空白。研究结果显示，在全转录组水平上，异源多倍体小麦中转录水平和翻译水平仅部分相关，这一结果与其它物种如拟南芥和酵母中的报道相似。此外，该研究发现GC含量对翻译效率有显著影响，高GC含量的mRNA相对于低GC含量的mRNA有较高的翻译效率。密码子适应指数CAI (codon adaptation index) 与翻译效率间成强相关性，提示密码子使用也可能影响翻译效率。研究人员还计算了tRNA适应性指标tAI (tRNA adaptation index)，该值不但衡量密码子的偏好性，同时还考虑了tRNA的分子浓度和每个密码子-反密码子的配对效率，令人惊讶的是tAI与翻译效率间的相关性非常差。基于此，该研究推测密码子偏好性不可能是异源多倍体小麦翻译效率的主要调节因子。
随后，研究人员在亚基因组水平对翻译效率进行了探究并发现，在异源四倍体小麦中，翻译水平呈现出了亚基因组不对称性，其中7148个部分同源基因对在A和B亚基因组间表现出显著的翻译效率差异。且上述的调控因子，如GC含量和密码子使用偏好性等均和亚基因组间的翻译效率差异，即亚基因组翻译效率不对称性成弱相关。这一结果促使研究者进一步探究其他调控因子，如RNA结构在亚基因组翻译效率不对称性中所扮演的角色。多倍体体内，尤其是拥有庞大基因组的小麦的体内RNA结构组的成功建立让这一研究成为可能。研究发现，体内mRNA二级结构同样表现出亚基因组的不对称性，且mRNA二级结构对翻译效率有显著贡献，其中5’UTR和CDS区结构较弱的mRNA倾向于高翻译，但3’UTR区mRNA结构的强弱对翻译效率没有显著影响。基于异源多倍体小麦中mRNA结构显著影响翻译效率这一结果，研究人员进一步探究mRNA结构对翻译效率的亚基因组不对称性的贡献，结果发现部分同源基因间mRNA结构差异越大，其翻译效率差异越大。至此，研究人员得出结论，mRNA二级结构是亚基因组间翻译效率不对称性的主要调控因子。
值得注意的是，研究者在A与B亚基因组间发现了4.58%的单碱基变异 (SNV, single-nucleotide variant)，并探究了这种单碱基差异对亚基因组间mRNA结构差异的影响，进而对翻译效率差异的贡献。研究人员通过计算亚基因组间eSDC (experimental structure disruption coefficient) 值 的差异来判断序列差异对mRNA结构的影响。结果发现，SNV与eSDC间成强相关，而序列插入和删除的长度与eSDC间相关性很弱，说明部分同源基因间SNV数量越多，RNA结构差异越大，而核苷酸的插入与删除对部分同源基因的结构差异影响较小。进一步，研究人员鉴定到了3564个与RNA结构相关的SNVs，也称作‘riboSNitches’，且与CDS和3’UTR区相比，5’UTR区有显著的riboSNitches富集。由于riboSNitches对RNA结构和功能的显著影响，研究人员利用已发表的小麦基因组数据，对13个不同来源的硬粒小麦群体的riboSNitches的保守型做了深入探究。结果显示，在不同的基因区域riboSNitches的保守型要比non-riboSNitches的保守型强，尤其在5’UTR区。
众所周知，硬粒四倍体小麦是从栽培二粒小麦进化而来，而栽培二粒小麦源于野生二粒小麦。基于这个进化时间线，研究人员通过对群体间分歧度 (FST) 的检测来探究riboSNitches在三个四倍体亚种中的分化差异。结果显示，在三个四倍体亚种中，在5’UTR和3’UTR区的riboSNitches相较于non-riboSNitches有显著高的FST值，表明在三个亚种中对riboSNitches的选择性更强，但在CDS区这种选择性缺失。为了直观地展示这种对riboSNitches的进化选择，以基因TRITD2Bv1G159660为例。基于已发表的基因组数据（VCF数据来源于Zhou, Yao, et al., Nature Genetics, 2020），研究人员对64个异源四倍体小麦群体的基因进行了序列比对，其中13个硬粒四倍体小麦 (DW), 29个栽培二粒小麦 (DEW) 和22个野生二粒小麦 (WEW)。如图所示为基因TRITD2Bv1G159660 的5’UTR区的序列比对，(a) 在序列第41位存在一个胞嘧啶和腺嘌呤差异的riboSNitche位点 (C41/A41)；(b) 柱状图展示了这个riboSNitche 在三个群体中出现的比例；(c) SNAPE依赖的RNA结构模型， A亚基因组中41位点的胞嘧啶 (C41) 为双链结构，B亚基因组中41位点的腺嘌呤 (A41) 呈现出单链结构。
综上所述，该研究揭示了RNA结构在作物中的重要作用，也对多倍体进化研究提供了崭新的理解，将为小麦分子育种提供新的思路。这项研究结果一方面填补了多倍体植物体内RNA二级结构特征这一空白，更重要的是丰富了多倍体亚基因组间功能分化和可塑性的分子机制，可在后转录水平为多倍体育种实践提供更高效、更准确的新思路和新技术。
东北师范大学张铧坤教授和John Innes Centre丁一倞研究员为该论文的通讯作者，杨小飞和于昊澎博士为共同第一作者，中科院遗传与发育生物学研究所鲁非研究员，东北师范大学刘宝教授，John Innes Centre Cristobal Uauy教授与Azahara C. Martín博士等参与了该项工作。此外还要特别感谢中科院遗传与发育生物学研究所的邓娴副研究员在多聚核糖体分析实验中给与的帮助。该研究得到了国家自然科学基金、东北师范大学人才启动基金以及英国生物技术与生物科学研究委员会基金和欧洲研究委员会基金的资助。
论文链接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02549-y
原文转载自公众号：BioArt植物