超级杂交稻与亲本小分子RNA转录组学研究

杂种优势已在作物育种中广泛应用，阐明杂种优势的分子机理对于进一步提高作物产量和品种改良具有重要意义。水稻是我国最重要的粮食作物，利用超级杂交稻研究杂种优势机理具有重大应用价值。小分子RNA在真核生物中广泛存在，它们不编码蛋白质，而是以RNA的形式，通过介导转录或转录后水平的基因沉默，调控靶基因表达。小分子RNA在真核生物生长发育、基因组稳定性、病毒防御，以及抗逆性反应等生物过程中发挥重要的调控作用，暗示与杂种优势之间存在必然的联系。继本实验室在转录组水平研究超级杂交稻杂种优势分子机理的前期工作之后，本研究拟通过构建超级杂交稻两优培九与亲本的小分子RNA文库，利用新一代测序技术结合生物信息学分析与实验验证，进行超级杂交稻与亲本小分子RNA的比较转录组学研究，以期找到可能参与水稻杂种优势基因表达调控的小分子RNA及其调控机理，为培育高产、优质、抗逆的新一代超级水稻品种在分子水平上提供理论依据。

小分子RNA是在真核生物中广泛存在的具有重要调控功能的非编码RNA，然而其在水稻杂种优势中的作用目前仍不十分清楚。本项目从小分子RNA入手研究水稻杂种优势的分子机制，通过新一代高通量测序技术结合生物信息学分析，从355个表达的miRNA和tasiRNA成熟序列中鉴定出69个在超级杂交稻LYP9与亲本中值间差异表达的小分子RNA。其中，34个差异小RNA预测到相应靶标基因176个，有112个靶基因编码94个转录因子。结合基因表达谱关联分析发现，67.6%的差异小RNA与其靶标基因表达呈显著负相关；这些靶标基因显著富集在包括生长素信号转导在内的多个重要生物过程。进一步调控网络分析表明，差异小RNA及其靶标介导的生长素信号调控网络可能通过影响水稻的生长发育进而参与水稻杂种优势的调控。同时，通过基因组共定位分析，建立了差异小RNA及其靶标与水稻主要农艺性状QTL的关联：有20.8%的差异小RNA及其靶标能够显著富集在水稻重要农艺性状相关的小区间QTL，包括生长势、谷粒产量和株型等，暗示小RNA及其靶标互作对水稻杂种优势具有重要作用。上述发现为进一步研究和利用杂种优势进行作物改良提供了新的分子依据。本项目全面完成了计划任务的各项指标，相关成果发表在Journal of Experimental Botany杂志。