水稻驯化与遗传改良相关非编码基因miRNA研究

作物品种的形成一般经历驯化和遗传改良两个人工选择过程。人工选择过程的分子遗传学实质是对作物基因组中控制这些重要农艺和品质等性状的基因座位进行选择和遗传修饰。目前已克隆的驯化基因均为蛋白质编码基因，且大多编码转录因子。目前发现的miRNA等非编码小RNA主要调控转录因子等编码基因。本研究前期对100多个水稻miRNA位点在栽培和野生水稻的群体遗传学调查，发现一些与人工选择相关miRNA位点的证据，表明miRNA可能是驯化选择的靶基因。本研究将对其中部分候选miRNA家族（miR164）进行重点研究，通过过量表达和基因敲除等方法，明确它们控制的表型性状（重点分析侧根发生、花器官发育和叶片衰老三个性状），探明水稻驯化与遗传改良对该基因家族选择的分子证据和遗传效应。本研究将为明确非编码miRNA在水稻品种形成过程（驯化/遗传改良）中的地位，为揭示作物遗传改良的分子机理提供新证据。

本研究通过高通量测序技术等进行了栽培稻和野生稻驯化与遗传育种选择相关miRNA基因候选位点的大规模鉴定。研究结论表明，与蛋白质编码基因一样，非编码小分子RNA座位也可能是驯化选择的靶标并在水稻驯化和遗传改良过程中发挥着重要作用。为了进一步探究miRNA在驯化过程中的变异，我们对miRNA及其靶基因在野生稻与栽培稻群体间的表达量进行了比较。研究表明驯化过程可能影响miRNA的表达水平，并通过与靶基因的互作调控下游的生物代谢途径。根据上述研究结果，我们对miR164家族的功能进行了进一步的研究。根据miRNA基因芯片以及小RNA高通量测序的结果分析，miR164家族在野生稻与栽培稻之间的表达量有显著差异，表现为在栽培稻中显著上调。结合拟南芥中的miR164功能分析结果，表明miR164在水稻的营养器官及生殖器官的发育方面均有调控作用。为了更加准确开展选择分析，本研究鉴定了野生稻特异miRNA及其靶基因。利用高通量测序技术测定了一个野生稻(东乡野生稻)全基因组、三个小RNA群体和一个降解组，同时利用MIRNA芯片测定了栽培和野生稻MIRNA的表达。研究表明，非编码miRNA跟编码基因一样，是水稻驯化过程的直接靶基因，在水稻品种形成过程中发挥重要作用。研究进一步对野生稻由miRNA介导的相位小RNA位点进行了大规模鉴定并研究了他们的选择压，发现了864和3961个21和24碱基相位排列的siRNA位点(phsiRNA)，其中160个21碱基和254个24碱基相位位点同时发现miRNA绑定位点，表明它们可能由miRNA介导。这些相位小RNA位点分别位于非编码区和编码基因，特别在部分控制重要农艺性状基因上发现phsiRNA。经遗传选择分析，栽培稻miRNA介导的相位小RNA位点遗传变异明显低于野生稻群体，而两者基因间序列遗传变异没有明显差异，表明这些位点可能受到强烈遗传选择，以保持其遗传保守性，很有可能跟驯化选择相关。