水稻mRNA选择性多聚腺苷化在高温干旱胁迫中调控作用研究

High temperature and drought stresses are the key factors that restricts the growth and yield of rice. Understanding the underlying responding mechanisms could provide a genetic basis for breeding cultivars of stress tolerances and high yield in rice. As a widely post-transcriptional regulatory mechanism, alternative polyadenylation (APA) plays an important role in rice growth, development and environmental adaptability. However, not much is known on the role of APA in response to both heat and drought stresses. Preliminary analysis of this project found that heat or drought stress changed the APA usages in rice, suggesting that APA participates in response to high temperature and drought stresses in rice. Here, we will perform drought and heat stress treatment at the heading and flowering stage of rice, which is the most sensitive stage to heat and drought stresses in rice. Using Poly(A) tag Sequencing (PAT-seq), we examine the change of genome-wide landscape of poly(A) sites in response to both heat and drought stresses. Meanwhile, we measure the physiological characteristics and yield changes under the two stresses, to identify the underlying associations between APA and these physiological processes. Finally, we will screen APA genes, with distinct poly(A) site usage, closely related to drought and heat tolerance, and construct rice mutants to verify the functions of different APA isoforms in drought and heat tolerance of rice using molecular genetic methods. Our results will provide new insights into the post-transcriptional regulatory mechanisms of multiple stress responses in rice.

高温和干旱是危害水稻生产的主要逆境，深入解析相关应答调控机理对培育水稻多重抗逆品种有重要的理论和实践意义。作为广泛的转录后调控方式，选择性多聚腺苷化（alternative polyadenylation, APA）在水稻生长发育和环境适应性中起到重要作用，但目前尚不清楚APA在其高温干旱双重胁迫响应中的调控机制。项目前期分析发现高温或干旱胁迫改变了水稻基因APA位点的使用，表明APA参与了水稻响应高温干旱胁迫的过程。本项目选择在逆境响应最敏感的水稻抽穗开花时期，进行高温干旱双重胁迫处理，利用3′末端转录组测序方法，研究胁迫后剑叶和颖花的APA位点变化规律，结合胁迫响应的基因表达变化和生理特征，揭示APA在高温干旱双重胁迫响应中的调控机制。并筛选出双重胁迫下显著差异使用APA位点的基因，利用分子遗传手段验证APA在水稻抗旱耐热中的调控功能，此将对揭示水稻多重逆境应答调控机理具有重要意义。

选择性多聚腺苷化（Alternative Polyadenylation, APA）是转录后调控基因表达的广泛方式，在水稻生长发育和环境适应性中起到重要作用，但APA在水稻应答高温干旱等多种逆境过程中的调控机制尚不清楚。本项目首先应用水稻基因组、多种逆境胁迫处理转录组和miRNA数据资源，开发生物信息工具，系统地分析了APA在水稻干旱和高温胁迫中变化规律和调控机制。同时，以不同时长高温处理的两水稻亚种为研究对象，利用开发的带有特异性分子标签的3′末端转录组方法，进行了文库构建、测序和配套的生物信息分析，此方法可解除PCR扩增偏差和测序过程中的错误校正，提高了检测poly(A)位点和基因表达水平的准确性。通过多角度比较分析各组间ploy(A)位点使用，发现了水稻在快速应答高温响应过程中偏向使用非3′UTR区域的APA位点，高温胁迫下差异使用APA位点的基因富集在内质网中的蛋白质加工和次级代谢物合成通路。高温胁迫应答的热激蛋白基因集在两水稻亚种间差异使用APA位点，表明APA可能与两亚种耐热性差异相关。基于高温胁迫下次级代谢通路基因APA差异使用的发现，进一步检测并分析了高温胁迫下水稻次级代谢物的变化，利用组学间功能通路关联分析的策略，关联分析高温胁迫下差异使用APA位点基因和差异变化的次级代谢物的功能富集通路，结果发现水稻APA介导上调细胞分裂素合成通路基因和化合物以快速应答高温胁迫，在不同层次揭示了APA在水稻高温胁迫响应中的作用。本项目产出了水稻多组织多种环境条件下基因ploy(A)位点的使用信息，筛选到与水稻抗旱耐热相关的APA基因，可用于指导培育抗逆性水稻品系。项目开发了高精度检测和分析植物poly(A)位点使用变化的建库与数据分析方法，便于推广应用到其他植物转录后调控研究领域。对筛选到的与水稻抗逆相关的APA基因，构建APA转录本异构体突变体和表现鉴定的工作仍在进行中，将持续产出为本项目成果。本项目支持发表了5篇SCI论文，完善了水稻基因组3′非编码区的注释，搭建了查询水稻poly(A)位点使用的资源网站和相关分析软件，协助培养博士后和博士研究生各2名。