联川导读

近期来自中国农业大学的课题组在小麦种子萌发的调控机理研究中取得重要进展，该研究成果于2018年4月发表于国际学术期刊《The Plant Cell》（近年平均影响因子为10.69）上。 原文题为“Wheat miR9678 Affects Seed Germination by Generating Phased siRNAs and Modulating Abscisic Acid/Gibberellin Signaling”。

种子萌发对籽粒产量和品质是非常重要的。在收获前夕遇到不利的环境因素，比如阴雨、潮湿，穗极易发芽，从而影响品质和产量。目前，对于调控穗发芽发生的机制的研究还是十分匮乏的。本文作者的工作有助于理解穗发芽发生机理，对于制定抗穗发芽鉴定指标和促进抗穗发芽育种等都有重要意义。

本研究分析了小麦特异的miR9678，该miRNA在发育和萌发的种子子叶中特异表达。过表达miR9678会通过减少具有生物活性赤霉素GA来延迟萌发，并提升小麦对于收获前发芽（Preharvest sprouting，PHS）的抗性；沉默miR9678则增强萌发速率。作者的研究显示miR9678靶向一个长链非编码RNA（WSGAR），并激发phased siRNA的产生，这在种子萌发延迟过程中扮演重要作用。最终，作者发现脱落酸ABA信号蛋白结合miR9678前体的启动子，并激活其表达，表明miR9678通过调控GA/ABA信号影响种子萌发。

1、miR9678在小麦种子的胚子叶中特异性表达

1）miR9678是小麦特异的miRNA

在小麦基因组中有3个位点能够产生miR9678前体，分别在7A，7B和7D染色体上，而位于7D染色体上的前体表达水平最高。

2）成熟的miR9678在种子成熟过程中表达水平逐渐提高

在萌发过程中表达水平达到最高，之后逐渐消失不表达，表明miR9678与种子萌发存在负调控的关系。

图1 小麦特异性的miR9678的表达分析

2、miR9678能够靶向一个长片段的非编码RNA（命名为WSGAR）

在miR9678的15个候选靶基因中验证出一条长链非编码RNA（WSGAR），它与种子的成熟与萌发是密切相关的。

图2 miR9678 靶向长片段的非编码RNA（WSGAR）

3、miR9678触发靶基因（WSGAR）产生phasiRNA，与种子萌发存在负调控的关系。

作者首先分析了miR9678成熟体及前体的结构和序列特点，预测并发现在WSGAR序列有phasiRNA的产生，其中phasiRNA 3’D2(-)的表达模式与miR9678相同。通过烟草瞬时表达实验证实了miR9678能够调控WSGAR的表达，同时介导产生phasiRNA。

图3 miR9678触发靶基因WSGAR产生phasiRNA

另外，瞬时表达实验（miR9678与WSGAR以及WSGARm的共表达）证实了WSGAR-derived phasiRNA与种子萌发存在负调控的关系。

图4 phasiRNA与种子萌发存在负调控的关系

4、miR9678介导GA/ABA信号通路的稳态，影响种子萌发。

高通量测序检测miR9678下游靶基因，包括17个编码α-淀粉酶的序列，11个GA生物合成的核心酶编码基因，以及2个GA2-氧化酶编码基因，而这也可能通过WSGAR-derived phasiRNA介导的其它机制进行调控。此外，实验验证了TaVP1、TaABI5和TaABF等ABA信号通路的元件可以靶向miR9678前体的启动子序列。这表明，miR9678介导GA/ABA信号通路的稳态，影响种子萌发。

该研究发现小分子miR9678在小麦种子萌发中的分子机制，并明确了一个新的调控籽粒发育和穗发芽的分子模式，即miR9678可以介导剪切长片段非编码RNA，并产生一系列phasiRNA，最终通过影响赤霉素合成基因的表达以及脱落酸ABA信号途径的改变，进而调控籽粒的萌发率和穗发芽。

图5 miR9678介导的调控种子萌发的潜在机制

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.