二穗短柄草长非编码RNA LNR2在光周期介导开花调控中的功能研究

There is now accumulating evidence that long non-coding RNAs (>200 nucleotides) called lncRNAs are widely spread in eukaryotic genomes. Many lncRNAs characterized from animal and human cells have been demonstrated that they epigenetically or post- transcriptionally regulate protein-coding mRNAs in cis or in trans. However, the progress of lncRNA investigation in plants is quite limited and some initial studies reported have been only focused on Arabidopsis and rice. There is no any functional exploration of lncRNAs to date in Brachypodium distachyon which has been extensively thought as a suitable model system for studies on temperate cereals and biofuel plants. Previously, we revealed the mechanisms of post-transcriptional regulation of florigen genes (FLOWERING LOCUS T 1 and 2, FT1 and FT2) mediated by microRNAs (miRNA) and alternative splicing (AS) in flowering time control in Brachypodium. We subsequently identified a lncRNA namely LONG NON-CODING RNA FROM FT2 INTRON 2 (LNR2) from the intronic region of FT2, and interestingly found it had different expression patterns with FT2 under long-day and short-day environments. Overexpression of LNR2 transgenic plants severely delay the heading date. In this project, integrated with genetics, biochemistry and molecular biology approaches, we will pursue the role and action mechanisms of LNR2 in photoperiod-mediated flowering time control in Brachypodium. The information obtained in this study will not only provide novel insights into mechanisms of gene modulation by lncRNAs in plants, but also may develop new technologies for molecular improvement on crop heading date in the future.

真核生物存在大量长度大于200核苷酸但不编码蛋白的RNA分子，即lncRNA。研究表明，人类和动物细胞的lncRNA通过顺式或反式作用对编码基因进行调控。然而，lncRNA在植物中的研究非常滞后，有限的报道仅围绕拟南芥和水稻开展。二穗短柄草是近年来发现的研究禾谷类作物和能源植物的模式生物，但人们对其非编码RNA缺乏了解，对其lncRNA无任何研究。我们前期研究结果揭示了短柄草中由miRNA和选择性剪切介导成花素FT基因转录后水平调控的分子机制，并进一步发现FT2 内含子区可产生lncRNA，命名为LNR2。有意思的是，尽管不同光照时间条件下FT2表达存在明显差异，但LNR2表达并无明显不同；过量表达LNRFI2的转基因植株开花显著延迟。本项目将以此为出发点，深入研究LNR2参与光周期开花过程的生物学功能和作用机理。本项目将为深入了解lncRNA调控植物基因表达的分子机制提供重要启示。

作物抽穗期早晚直接决定作物品种适用的广泛性，植物开花调控的分子机制研究可为作物抽穗期性状改良提供参考。长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA）在模式植物拟南芥中被证明介导春化开花调控过程，但单子叶植物lncRNAs是否参与开花过程并不清楚。.我们先前在二穗短柄草中发现FT2基因内含子区产生lncRNA，命名为LNR2，本项目力图阐述LNR2调控二穗短柄草开花时间的作用机制。在研究过程中，我们有意思的发现FT2 基因可受选择性剪切影响，产生两种剪切体FT2α 和 FT2β； FT2 AS 不仅受环境温度影响，而且随植物年龄变化，即在不同发育阶段，FT2α 与FT2β表达水平的比率不同，表现为营养生长早期阶段FT2α / FT2β比率较低，营养生长晚期阶段FT2α/FT2β比率较高。过量表达FT2α和FT2β的转基因植株，分别出现开花提前和延迟的异常表型。生化机制研究发现：一方面，与FT2α不同，FT2β不能与14-3-3和FD相互作用形成开花诱导复合物；另一方面，由于FT2β虽与FT2α形成异源二聚体， 但不能形成同源二聚体，因而导致FT2β可以通过干扰FT2α、14-3-3和FD开花诱导复合物的形成，抑制植物开花。通过人工miRNA沉默技术，特异敲低FT2α和FT2β表达水平的二穗短柄草转基因植株，开花分别显著延迟和提前，进一步从遗传学角度证明了FT2α和FT2β在开花过程中分别正向和负向调控植物开花时间。进化研究发现FT2选择性剪切产物在小麦、大麦等温带草类植物中高度保守。.相关研究成果发表在Nature Communications上，本项目为第一标注。该论文是我们继发现miRNA可以通过切割FT mRNA调控FT表达、参与光周期开花途径后，系统解析FT转录后水平调控机制的第二篇学术论文，同时也是首次阐述了可变剪切受植物内源信号的调控及其分子机制，为分子生物学领域研究选择性剪切调控的分子机理开拓了新的思路。