两对小麦分蘖近等基因系的lncRNA鉴定分析

长链非编码RNA（lncRNA）作为新兴的转录后调控因子，已在拟南芥、水稻、玉米等多种作物中被广泛鉴定，可通过顺式或反式作用参与植物逆境响应、有性生殖、器官形成等多种生长发育活动。分蘖是小麦生长发育的重要阶段，也是产量形成的重要因素，受到包括环境条件、转录水平、转录后水平等的综合调控。前人研究发现，lncRNA-LRK Antisense Intergenic RNA可影响富亮氨酸重复受体激酶基因簇，从而影响水稻分蘖和产量(Wang et al. 2018)。该研究揭示了此前所忽视的长链非编码RNA在分蘖和产量调控方面的重要作用；且由于小麦中特异分蘖材料缺乏、基因组庞大复杂，其分蘖调控lncRNA的发掘工作大受制约。

四川农业大学小麦研究所利用前期创制的两对分蘖近等基因系NIL7（(Wang et al. 2019)）和NIL11为材料（图1）。NIL7为CN16和H461杂交的F5代选育而来；NIL11为CM107和H461杂交的F4代选育而来，55K SNP芯片表明，两对近等基因系遗传背景相似度均高达95%以上，是理想的分蘖研究材料。实验中，分别取其分蘖发生关键时期Z20、Z21、Z22、Z23的分蘖节部位提取总RNA进行去核糖体链特异转录组测序（图2），利用生物信息学手段对测序数据进行鉴定。

图1a Tillering phenotypes of NIL7 at grain-filling stage (NIL7B, left; NIL7A, right). b Tillering phenotypes of NIL11 at grain-filling stage (NIL11B, left; NIL11A, right)

图2 a Sampling periods of NIL7A (From Z20 to Z23). b Sampling periods of NIL7B (From Z20 to Z23). c Sampling periods of NIL11A (From Z20 to Z23). d Sampling periods of NIL11B (From Z20 to Z23)

经生物信息学鉴定，最终获得了5399个lncRNA转录本。5399个转录本在21条染色体上分布比较均匀（图3），且大部分为基因间区lncRNA，约53%的lncRNA转录本长度小于1000bp。通过差异分析，我们分别在NIL7和NIL11中鉴定出314个和217个显著差异表达lncRNA（FDR<0.05；log₂|FC|>1）。有74个lncRNA在两对近等基因系多寡材料间共同差异表达，可能参与分蘖调控且不依赖特定遗传背景；其中25个lncRNA在两个多分蘖材料中表达水平均显著上调，49个lncRNA在两个多分蘖材料中表达水平均显著下调（图4）。

图3Chromosomes distribution of 5399 identified lncRNA transcripts

图4 Venn diagrams of common DE lncRNAs between NIL7 and NIL11. a Common upregulated DE lncRNAs in both free-tillering wheat. b Common downregulated DE lncRNAs in both free-tillering wheat

GO注释结果表明：74个共同差异表达lncRNA可能主要参与细胞过程、代谢过程；富集于催化和结合功能（图5）。KEGG通路分析显示：74个共同差异表达lncRNA的靶基因主要富集于光合作用相关通路、次生代谢相关通路和植物激素相关通路。靶基因详细功能注释最终帮助我们发现了27个最可能与分蘖相关的差异表达lncRNA，它们的靶基因主要富集于：苯丙酸合成通路、磷脂酰肌醇信号通路、油菜素类固醇合成通路、玉米素合成通路、类胡萝卜素合成通路等10个主要通路。此前，小麦分蘖相关lncRNA的鉴定工作未见报道。因此，我们希望这27个lncRNA的发现能为研究lncRNA调控小麦分蘖的分子机制提供方向，为在非编码RNA层面调控小麦分蘖、提高产量奠定前期基础。

图5 GO analysis of common DE lncRNAs (homologous to Arabidopsis)

2020年6月1日Functional & Integrative Genomics杂志在线发表了这一研究结果（https://doi.org/10.1007/s10142-020-00742-z）。四川农业大学硕士生周婉琳和博士生石浩然为该论文的共同第一作者，四川农业大学魏育明教授和刘亚西教授为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、四川省科技厅优秀青年基金项目的资助。

参考文献：

Wang Y, Luo XJ, Sun F, Hu J, Zha X, Su W, Yang J (2018) Overexpressing lncRNA LAIR increases grain yield and regulates neighbouring gene cluster expression in rice. Nat Commun 9:3516

Wang ZQ, Shi HR, Yu SF, Zhou W, Li J, Liu S, Deng M, Ma J, Wei Y, Zheng Y, Liu Y (2019) Comprehensive transcriptomics, proteomics, and metabolomics analyses of the mechanisms regulating tiller production in low-tillering wheat. Theor Appl Genet 132(8):2181–2193

Zhou, W., Shi, H., Wang, Z. et al. Identification of lncRNAs involved in wheat tillering development in two pairs of near-isogenic lines. Funct Integr Genomics (2020).