Science文章:小RNA+選擇+花色樣式進化

發(fā)稿時間：2017-11-27來源：天昊生物

摘要：“小RNA”的“大功能”

小RNAs（sRNAs）可以調(diào)控植物和動物基因。本研究發(fā)現(xiàn)金魚草群體范圍內(nèi)花色樣式差異是由一個反向重復(fù)產(chǎn)生的sRNAs引起，其轉(zhuǎn)錄本的復(fù)雜性和大小表明該重復(fù)是在microRNA進化相關(guān)通路上的一種中間產(chǎn)物。sRNAs抑制一種色素合成基因的表達，從而在傳粉昆蟲進入花內(nèi)的部位產(chǎn)生黃色亮斑。該反向重復(fù)在自然混合區(qū)漸變?nèi)褐斜憩F(xiàn)出等位基因頻率的陡然增高，表明該等位基因受到選擇。因此，sRNAs的互作調(diào)節(jié)是選擇的結(jié)果，并且造成了進化上花色表型的多樣性。

發(fā)表時間：2017年11月17日發(fā)表期刊：Science影響因子：37.205

研究背景：

系統(tǒng)性研究選擇所用的自然群體通常源自相近物種或接觸群體的混合區(qū)域，金魚草中兩個花色不同的亞種即來自該類混合區(qū)自然群體，它們會通過花色吸引蜜蜂傳粉，但是花色樣式的不同會產(chǎn)生引導(dǎo)蜜蜂進花方式不同的結(jié)果（花也有自己的“信號燈指示系統(tǒng)”：））。但是目前是有什么調(diào)控花色樣式的變化的，仍不夠清楚。

研究材料：

金魚草A.m.pseudomajus ROS^P SULF^P、A.m.striatumros^Ssulf^S、JI7、JI75、JI660及雜交F1代。

研究方法：

小RNA測序、mRNA測序、SNP分型技術(shù)、重測序、RNA雜交、qRT-PCR

研究結(jié)果：

A. m. pseudomajus亞種花是品紅色，依靠其上的黃色斑塊引導(dǎo)蜜蜂進花（圖1-A）。而A. m. striatum亞種恰恰相反，花是黃色，引導(dǎo)蜜蜂進花的位置是品紅色（圖1-B）。在混合區(qū)中則會出現(xiàn)兩種亞種的漸變?nèi)后w（圖1-C）。

圖1、花色樣式表型及色素合成途徑

前人研究表明，品紅色素的產(chǎn)生是受到ROSEA(ROS)和ELUTA(EL)調(diào)控的，而黃色色素的產(chǎn)生則是由SULF基因座調(diào)控的。

首先對SULF和sulf表型金魚草分離群體的基因組混池測序，通過對SNP純合子密度作圖，將SULF定位到了4號染色體3.2Mb區(qū)域。之后結(jié)合轉(zhuǎn)座子突變實驗，最終發(fā)現(xiàn)在A. majus (SULF)中的同源Am4’CGT基因，并且它的同源基因是反向重復(fù)排布（圖2-A）。進化樹分析表明SULF反向重復(fù)可能是從Am4’CGT進化來的（圖2-B）。為了研究這種反向重復(fù)是否受到選擇，研究人員又利用混合區(qū)A. m. pseudomajus（n=96）和A. m. striatum（n=95）漸變?nèi)簜€體進行測序，并結(jié)合50個體混池測序，初步定位到了SULF附近145kb區(qū)域的測序深度降低，后來區(qū)域PCR擴增測序后發(fā)現(xiàn)確實在A. m. pseudomajus中存在的SULF在A. m. striatum群體中缺失或者低頻（圖2-C）。通過對混合區(qū)左右20km區(qū)域金魚草SNP分析，發(fā)現(xiàn)了與SULF和ROS花色變化基因相關(guān)的陡變的現(xiàn)象，進一步表明該區(qū)域存在這強烈的選擇效應(yīng)（圖2-D）。

圖2、SULF基因座定位及選擇信號鑒定

研究人員根據(jù)SULF和Am4’CGT的反向重復(fù)特性，推測這種花色樣式進化的機制可能是由小RNA調(diào)控的。通過小RNA 測序在sulf-660和SULF-661中比較發(fā)現(xiàn)，SULF-661中的小RNA含量明顯的要多（圖3-A、B）。RNA雜交結(jié)果也證明這些主要是從SULF而來，并且與顏色成相關(guān)性（圖3-C、D），RNA原位雜交和qRT-PCR結(jié)果再次證明了這一結(jié)論（圖3-E、F）。

圖3、SULF基因座產(chǎn)生的小RNA可以靶向同源基因Am4’CGT

如果對反向重復(fù)的選擇是一種調(diào)控互作建立的普遍機制，在基因組中應(yīng)該有很多類似SULF的基因。最后通過檢測與SULF相似的反向重復(fù)序列頻率與表達水平，對基因組的掃描也發(fā)現(xiàn)了許多類似可能產(chǎn)生不同發(fā)夾長度區(qū)域（圖4-A）。但是這些序列主要產(chǎn)生的是>21 nt的小RNA,不像由SULF產(chǎn)生的一樣是21 nt（圖4-B）。此外，由SULF產(chǎn)生的小RNA群體復(fù)雜性相對較低。根據(jù)片段大小和復(fù)雜程度尋找到一類與SULF相似的保守的microRNA位點（圖4-B，橙色)，發(fā)現(xiàn)SULF發(fā)夾是典型保守microRNA發(fā)夾含量的５倍以上，這些都表明SULF生成更長的功能性長的調(diào)節(jié)發(fā)夾RNA。

圖4、金魚草中反向重復(fù)與microRNA基因表達和頻率分布圖

結(jié)論：

• 發(fā)現(xiàn)金魚草吸引蜜蜂入花的花色樣式不同是由金魚草品紅色素ROS和黃色色素SULF的調(diào)控基因座位決定的。
• 經(jīng)過分離群體基因組測序和轉(zhuǎn)座子突變實驗，尋找到SULF的同源基因Am4’CGT，具有反向重復(fù)的結(jié)構(gòu)特征。
• 發(fā)現(xiàn)SULF基因座產(chǎn)生的小RNA可以靶向同源基因Am4’CGT，進而調(diào)控花色樣式變化。
• 通過分析反向重復(fù)與microRNA基因表達和頻率結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這些影響花色的基因座具有強烈的選擇效應(yīng)，進而影響了花色樣式的進化。

關(guān)于天昊：

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