11月16日，Plant Physiology雜志在線發表了南京農業大學農學院楊東雷課題組題為“Reinforcement of CHH methylation through RNA-directed DNA methylation ensures sexual reproduction in rice”的研究論文。轉基因育種作為一種現代生物技術，可以快速培育作物新品種。外源基因的轉入往往出現基因沉默現象，這阻礙了轉基因技術的安全利用。為了闡明水稻轉基因沉默的分子機制，加快轉基因育種的推廣，楊東雷課題組利用EMS（ethyl methyl sulfonate）對35S::OsGA2ox1轉基因沉默材料進行誘變，構建了突變體庫，并從中篩選出上百個突變體。
《西游記》中的孫悟空本領高強、神通廣大，大鬧天宮時被玉皇大帝請來的如來佛祖鎮壓。如來將孫悟空囚禁在五行山下，五百年后唐僧路過才將孫悟空救出。35S::OsGA2ox1轉基因可能插入到基因組的任何位置，類似于孫悟空無法無天；而基因沉默像是五行山，鎮壓轉基因與轉座子，因此篩選出的突變體被命名為fem（five elements mountain）。
本次發表的工作是轉基因沉默抑制子FEM1，通過圖位克隆與遺傳互補發現FEM1編碼RNA依賴的RNA聚合酶2（OsRDR2）。擬南芥的rdr2突變體不影響育性，然而水稻的fem1突變體幾乎不結實。fem1與野生型正反交均不結實，表明fem1的雌雄配子都不育。通過表型分析發現fem1從花藥分化、雄性生殖細胞減數分裂到花粉壁的填充等過程中都出現了異常。此外，fem1的胚囊結構也存在很大比例的異常。這些結果表明FEM1對于水稻生殖發育具有不可或缺的調控作用。
全基因組甲基化測序分析發現，花序中的CHH類型的DNA甲基化水平明顯高于幼苗。進一步分析發現雄蕊與雌蕊中的CHH甲基化也同樣高于幼苗，而在fem1的花序、雄蕊與雌蕊中，CHH甲基化水平不再上升。大部分RdDM途徑的編碼基因在生殖器官中上調表達，FEM1/OsRDR2在花序、雄蕊和雌蕊等生殖器官中的蛋白水平較葉片、葉鞘和幼苗等營養組織升高。FEM1突變后生殖發育調控基因附件的CHH甲基化水平下降，影響了它們的轉錄表達，從而導致不育。
Figure 2. Increase of DNA methylation regulates gene expression in stamens
綜上，RdDM功能在生殖器官中上調造成全基因組CHH甲基化水平的上升，從而精細調控生殖發育基因的轉錄表達，進而保證水稻生殖發育的正常進行。
楊東雷為該論文的通訊作者，博士研究生王莉莉為第一作者，已畢業博士鄭克志、宜春學院曾龍軍老師、博士研究生徐大超以及已畢業碩士朱天心和殷雨萌共同參與了該工作，吳玉峰教授和占華東博士也提供了重要的幫助。該研究得到了國家自然基金面上項目、江蘇省杰出青年基金、轉基因專項和江蘇省現代作物生產協同創新中心等經費的資助。
日期：2021-11-24
《西游記》中的孫悟空本領高強、神通廣大，大鬧天宮時被玉皇大帝請來的如來佛祖鎮壓。如來將孫悟空囚禁在五行山下，五百年后唐僧路過才將孫悟空救出。35S::OsGA2ox1轉基因可能插入到基因組的任何位置，類似于孫悟空無法無天；而基因沉默像是五行山，鎮壓轉基因與轉座子，因此篩選出的突變體被命名為fem（five elements mountain）。
本次發表的工作是轉基因沉默抑制子FEM1，通過圖位克隆與遺傳互補發現FEM1編碼RNA依賴的RNA聚合酶2（OsRDR2）。擬南芥的rdr2突變體不影響育性，然而水稻的fem1突變體幾乎不結實。fem1與野生型正反交均不結實，表明fem1的雌雄配子都不育。通過表型分析發現fem1從花藥分化、雄性生殖細胞減數分裂到花粉壁的填充等過程中都出現了異常。此外，fem1的胚囊結構也存在很大比例的異常。這些結果表明FEM1對于水稻生殖發育具有不可或缺的調控作用。
全基因組甲基化測序分析發現，花序中的CHH類型的DNA甲基化水平明顯高于幼苗。進一步分析發現雄蕊與雌蕊中的CHH甲基化也同樣高于幼苗，而在fem1的花序、雄蕊與雌蕊中，CHH甲基化水平不再上升。大部分RdDM途徑的編碼基因在生殖器官中上調表達，FEM1/OsRDR2在花序、雄蕊和雌蕊等生殖器官中的蛋白水平較葉片、葉鞘和幼苗等營養組織升高。FEM1突變后生殖發育調控基因附件的CHH甲基化水平下降，影響了它們的轉錄表達，從而導致不育。
Figure 2. Increase of DNA methylation regulates gene expression in stamens
綜上，RdDM功能在生殖器官中上調造成全基因組CHH甲基化水平的上升，從而精細調控生殖發育基因的轉錄表達，進而保證水稻生殖發育的正常進行。
楊東雷為該論文的通訊作者，博士研究生王莉莉為第一作者，已畢業博士鄭克志、宜春學院曾龍軍老師、博士研究生徐大超以及已畢業碩士朱天心和殷雨萌共同參與了該工作，吳玉峰教授和占華東博士也提供了重要的幫助。該研究得到了國家自然基金面上項目、江蘇省杰出青年基金、轉基因專項和江蘇省現代作物生產協同創新中心等經費的資助。
日期：2021-11-24
