植物Small RNA（sRNA）是指植物细胞内长度为20~24nt的小片段RNA，其广泛参与植物的生长、发育和生殖等过程。植物中sRNA的主要成员有siRNA（小的干扰RNA）和micro RNA（miRNA），而phased siRNA（相位siRNA，即phasiRNA）是siRNA中重要的一类，与植物生长发育或抗病等密切相关。

2019年2月7日，华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、农业部华南地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室夏瑞课题组与美国唐纳德.丹佛斯植物科学中心Dr. Blake Meyers团队合作在国际知名学术杂志Nature Communications上发表了题为 24-nt reproductive phasiRNAs are broadly present in angiosperms 的研究论文，该研究通过大范围基因组数据和小RNA数据分析，发现原以为只在单子叶中存在的、特异地在生殖器官中表达的 24-nt phasiRNAs，在双子植物中也是广泛存在的，而且产生机理和时空表达模式与单子叶中的类似。这一研究结果扩展了我们对于 phasiRNA 的认识，进一步证实其广泛性和功能的重要性。

之前的研究表明，单子叶植物中主要存在两条与生殖相关的 phasiRNA 通路。 （1）miR2118介导，并依赖DCL4（Dicer-like 4）切割产生的21-nt phasiRNAs，在花药减数分裂前期明显富集；（2）miR2275 介导，并依赖DCL5（DCL3b）切割产生的 24-nt phasiRNAs，则在花药减数分裂时明显富集。在水稻中，华中农大张启发组和华南农大庄楚雄研究组（与刘耀光研究组合作）分别证明了21-nt phasiRNAs 与水稻光/温敏不育机制相关。在玉米中，美国斯坦福大学的Virginia组和唐纳德.丹佛斯植物科学中心 Meyers组的最新结果则证实 24-nt phasiRNAs 与不同温度下玉米花粉育性相关。在已有的认知中，21-nt phasiRNAs 存在于植物界，而 24-nt phasiRNAs 则一直被认为仅存在于单子叶植物中。后一认知形成的主要原因有二：一是miR2275 只在单子叶中发现；二是 DCL5 被证实是负责 24nt phasiRNAs 的切割，而 DCL5 也只存在于单子叶植物中。

在荔枝（双子叶植物）中发现 miR2275 与 24-nt phasiRNAs 存在

夏瑞课题组在分析荔枝小RNA数据过程中，证实荔枝中也存在 MIR2275 的基因位点，且 miR2275 也可以靶向多个非编码基因，诱导产生丰富的 24-nt phasiRNA。此外，miR2275 和 phasiRNAs 均在花组织中特异高表达，与单子叶植物中的miR2275的表达模式相仿。进一步的挖掘发现，荔枝中 miR2275 和 24-nt phasiRNAs 均明显表现出减数分裂时期的特异高表达，随后快速下降。这表明，从时间序列来看，在荔枝与玉米中，这一通路保守地表达在减数分裂时期（图1）。

图1 荔枝中miR2275和24-nt phasiRNAs的时空表达模式

miR2275-24-PHAS-phasiRNAs 通路在四个双子叶物种中同样存在

基于荔枝中的数据分析与实验结果，研究人员猜测该通路很可能也存在于其他双子叶植物中。通过自行采集小RNA测序数据及对公共测序数据的分析，证实miR2275-24-PHAS- phasiRNAs 通路在其它四个双子叶植物（葡萄、草莓、甜橙和棉花）中也存在。

在上述的分析中，研究人员已经确定了多个双子叶植物中具有 miR2275 位点。但模式植物拟南芥和广泛研究的豆科和茄科植物中，均早已确定并没有 miR2275 的存在。基于发现与认知的冲突，作者对209个植物基因组序列进行分析（图2）。发现， miR2275 广泛分布于双子叶植物中，但在某些分支中出现了丢失，如十字花科、茄科和豆科等（图2）。这一动态存在特性表明这一通路生物功能的重要性，但似乎又暗示其在某些情况下具有可替换性。

图2 miR2275-24nt phasiRNAs 通路在被子植物中广泛存在意外，茄科中存在不同特征的 24-nt phasiRNAs

茄科中存在不同特征的24-nt phasiRNAs

在茄科植物番茄的数据分析中，作者发现，虽然番茄基因组序列没有 miR2275 的编码位点，但从其小RNA数据中同样可以鉴定出模式较好的 24-PHAS 位点。这些 phasiRNAs 与上述的 24-PHAS相似，在减数分裂的花序中高度表达（图3），但这些 24-PHAS 位点并不包含 miR2275 的潜在靶位点，而是具有新的特征，即存在 12-nt 的相位切割模式。鉴于 phasiRNAs 在植物育性中的重要作用，关于 12-nt PHAS 位点的产生机理及其功能形式，值得进一步研究和发掘。

图3 新发现的番茄中12-PHAS位点

综上，miR2275-24nt phasiRNAs 在被子植物中广泛存在，说明其具有重要生物学功能。部分双子叶物种中 miR2275 的缺失，说明这一通路在部分物种中可能并非必需，或者在某些物种中存在替代机制来产生必需的 24-nt phasiRNAs。总的来说，正如哺乳动物中减数分裂期特异表达的 piRNAs，植物中减数分裂时期特异表达的 phasiRNAs 相关机制与功能仍然模糊。相信更多的后续研究将会为我们带来更为清晰的答案。

文献参考：

【1】Ding J, et al. (2012) A long noncoding RNA regulates photoperiod-sensitive male sterility, an essential component of hybrid rice. Proc Natl Acad Sci USA 109(7): 2654–2659.

【2】Zhou H, et al. (2012) Photoperiod- and thermo-sensitive genic male sterility in rice arecaused by a point mutation in a novel noncoding RNA that produces a small RNA. Cell Res 22(4):649–660.

【3】Fan, Y., Yang, J., Mathioni, S. M., Yu, J. & Shen, J. (2016) PMS1T, producing phased small-interfering RNAs, regulates photoperiod-sensitive male sterility in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. 113, 15144–15149 

【4】Teng, C. et al. (2018) Dicer-like 5 deficiency confers temperature-sensitive male sterility in maize.bioRxiv. DOI: 10.1101/498410 

论文原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08543-0

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