基因组所研究揭示水稻AGO1d调控温敏雄性不育的作用机制

近日，基因组所费启立课题组联合上海交通大学生命科学技术学院梁婉琪课题组和美国唐纳德·丹弗斯植物科学中心的Blake Meyers团队在 《新植物学家（  New Phytologist  ）》 在线发表了题为" Temperature-sensitive male sterility in rice determined by the roles of AGO1d in reproductive phasiRNA biogenesis and function "的研究论文，报道了水稻AGO1d通过介导生殖特异的21-和24-nt phasiRNAs的生成和功能调控温敏雄性不育的作用机制。

水稻是我国重要粮食作物，解析其雄性不育机制促进两系和三系法杂交育种，对于保障粮食产量具有重大意义。phasiRNAs是植物中一类特殊的siRNA，它的生成依赖于22-nt miRNA/AGO蛋白沉默复合体（RISC）切割长非编码转录本（如 TAS 和 PHAS ）或者NB-LRR等编码基因转录本所触发，随后RNA依赖的RNA聚合酶6（RDR6）将切割靶点下游的片段合成双链RNA，再分别由DCL4和DCL5连续相位切割产生21-和24-nt的次级siRNAs（phased secondary siRNAs, phasiRNAs）。在禾本科植物花药发育过程中， PHAS 位点大量时空特异性转录非编码RNAs，并由22-nt miR2118和miR2275分别触发21-和24-nt phasiRNAs的生成。近些年的研究发现这两类生殖特异的phasiRNAs在雄性生殖发育中发挥重要作用，其功能缺失会导致水稻和玉米雄性不育。然而，在phasiRNAs生成过程中，哪一类特定AGO蛋白加载了miR2118和miR2275以介导phasiRNAs生成，以及21-nt phasiRNAs是否与MEL1（AGO5c）以外的AGO蛋白结合，尚不清楚。

该研究发现 AGO1d 在小孢子母细胞减数分裂前和减数分裂期间花药四层壁细胞中特异性积累。通过CRISPR/Cas9系统编辑 AGO1d 基因，发现 AGO1d 敲除导致低温环境下花药发育异常、花粉不育，而在常温环境下花药发育正常、花粉可育，即表现出温敏雄性不育表型。进一步通过花药半薄切片发现低温环境下 ago1d 敲除株系花药在小孢子发育后期（S10）绒毡层细胞程序性死亡异常，花粉形成过程中淀粉积累减少，最终导致花粉不育，水稻结实率降低。

为探究其作用机制，作者通过水稻花药的AGO1d RIP-seq、小RNA-seq和转录组测序，发现AGO1d能够直接与miR2118和miR2275结合，且 ago1d 敲除花药中21-和24-nt phasiRNAs含量显著下降。同时，RIP-seq结果显示AGO1d可与5‘-末端尿苷（5‘-U）的21-nt phasiRNAs结合，而先前研究发现MEL1可与5‘-末端胞苷（5‘-C）的21-nt phasiRNAs结合，这表明AGO1d不同于MEL1，可以在phasiRNAs的生成和功能中具有双重作用。对转录组数据的分析表明，水稻花药发育时期关键调控通路的失调，如转录调控、糖代谢以及脂代谢的失调，可能导致了低温下 ago1d 敲除株系的不育性。通过多组学和代谢分析，发现AGO1d可通过介导21-nt phasiRNAs生成和功能在糖酵解途径中负调控D-果糖1,6-二磷酸的合成，证实了phasiRNAs在调节糖代谢中的功能。该研究对于水稻等作物两系杂交育种具有重要指导意义。

基因组所费启立研究员、上海交通大学生命科学技术学院梁婉琪研究员和美国唐纳德·丹弗斯植物科学中心Blake Meyers教授为本论文通讯作者，费启立课题组博士后施传琳和梁婉琪课题组博士后张杰为本论文共同第一作者，费启立课题组博士后武炳瑾和助理余昌秀以及Blake Meyers课题组博士Rachel Jouni也参与了此项研究。本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和深圳市大鹏新区科技创新和产业发展专项资金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1111/nph.18446