聯川導讀
近期來自中國農業大學的課題組在小麥種子萌發的調控機理研究中取得重要進展，該研究成果于2018年4月發表于國際學術期刊《The Plant Cell》（近年平均影響因子為10.69）上。 原文題為“Wheat miR9678 Affects Seed Germination by Generating Phased siRNAs and Modulating Abscisic Acid/Gibberellin Signaling”。
種子萌發對籽粒產量和品質是非常重要的。在收獲前夕遇到不利的環境因素，比如陰雨、潮濕，穗極易發芽，從而影響品質和產量。目前，對于調控穗發芽發生的機制的研究還是十分匱乏的。本文作者的工作有助于理解穗發芽發生機理，對于制定抗穗發芽鑒定指標和促進抗穗發芽育種等都有重要意義。
02 研究思路
本研究分析了小麥特異的miR9678，該miRNA在發育和萌發的種子子葉中特異表達。過表達miR9678會通過減少具有生物活性赤霉素GA來延遲萌發，并提升小麥對于收獲前發芽（Preharvest sprouting，PHS）的抗性；沉默miR9678則增強萌發速率。作者的研究顯示miR9678靶向一個長鏈非編碼RNA（WSGAR），并激發phased siRNA的產生，這在種子萌發延遲過程中扮演重要作用。最終，作者發現脫落酸ABA信號蛋白結合miR9678前體的啟動子，并激活其表達，表明miR9678通過調控GA/ABA信號影響種子萌發。
03 研究結果
1、miR9678在小麥種子的胚子葉中特異性表達
1）miR9678是小麥特異的miRNA
在小麥基因組中有3個位點能夠產生miR9678前體，分別在7A，7B和7D染色體上，而位于7D染色體上的前體表達水平最高。
2）成熟的miR9678在種子成熟過程中表達水平逐漸提高
在萌發過程中表達水平達到最高，之后逐漸消失不表達，表明miR9678與種子萌發存在負調控的關系。
圖1 小麥特異性的miR9678的表達分析
2、miR9678能夠靶向一個長片段的非編碼RNA（命名為WSGAR）
在miR9678的15個候選靶基因中驗證出一條長鏈非編碼RNA（WSGAR），它與種子的成熟與萌發是密切相關的。
圖2 miR9678 靶向長片段的非編碼RNA（WSGAR）
3、miR9678觸發靶基因（WSGAR）產生phasiRNA，與種子萌發存在負調控的關系。
作者首先分析了miR9678成熟體及前體的結構和序列特點，預測并發現在WSGAR序列有phasiRNA的產生，其中phasiRNA 3’D2(-)的表達模式與miR9678相同。通過煙草瞬時表達實驗證實了miR9678能夠調控WSGAR的表達，同時介導產生phasiRNA。
圖3 miR9678觸發靶基因WSGAR產生phasiRNA
另外，瞬時表達實驗（miR9678與WSGAR以及WSGARm的共表達）證實了WSGAR-derived phasiRNA與種子萌發存在負調控的關系。
圖4 phasiRNA與種子萌發存在負調控的關系
4、miR9678介導GA/ABA信號通路的穩態，影響種子萌發。
高通量測序檢測miR9678下游靶基因，包括17個編碼α-淀粉酶的序列，11個GA生物合成的核心酶編碼基因，以及2個GA2-氧化酶編碼基因，而這也可能通過WSGAR-derived phasiRNA介導的其它機制進行調控。此外，實驗驗證了TaVP1、TaABI5和TaABF等ABA信號通路的元件可以靶向miR9678前體的啟動子序列。這表明，miR9678介導GA/ABA信號通路的穩態，影響種子萌發。
04 研究結論
該研究發現小分子miR9678在小麥種子萌發中的分子機制，并明確了一個新的調控籽粒發育和穗發芽的分子模式，即miR9678可以介導剪切長片段非編碼RNA，并產生一系列phasiRNA，最終通過影響赤霉素合成基因的表達以及脫落酸ABA信號途徑的改變，進而調控籽粒的萌發率和穗發芽。
圖5 miR9678介導的調控種子萌發的潛在機制
Guo G, et al. 2018. Wheat miR9678 Affects Seed Germination by Generating Phased siRNAs and Modulating Abscisic Acid/Gibberellin Signaling. Plant Cell(30): 796-814.