miRNA通过调节基因表达，在植物生长发育、逆境响应等过程中发挥重要调控作用。在植物中，miRNA的长度通常为21个核苷酸，它们由DCL1从具有茎环结构的前体miRNA加工产生，与AGO1结合，通过切割mRNA(Song et al., 2019)。2009年，戚益军课题组在水稻中发现并命名了一类长度为24个核苷酸的长miRNA（long miRNA, lmiRNA），lmiRNA由DCL3加工产生，与AGO4结合，通过介导靶标基因的DNA甲基化，在转录水平调控基因表达(Wu et al., 2009; Wu et al., 2010)。lmiRNA被发现后，国内外多个实验室对若干lmiRNA进行了功能研究，发现这些lmiRNA在水稻对病原细菌和真菌防卫反应中起重要作用。目前，lmiRNA及其靶标的演化过程，lmiRNA的调控广度以及lmiRNA调控在植物环境适应性获得中的作用尚不清楚。

微型反向重复转座子（Miniature Inverted-repeat Transposable Element, MITE）是一类短小的非自主DNA 转座子。MITE在作物基因组中非常丰富并分散分布，对基因表达和基因组演化起重要调控功能。在水稻演化过程中，MITE通过急速扩增大量累积。之前，清华大学生命科学学院戚益军课题组和中科院遗传与发育研究所李家洋课题组合作研究发现，MITE的DNA甲基化可分别负向和正向调控邻近MIR156d/j和独脚金内酯受体编码基因D14的表达，进而调控水稻的株高和分蘖(Xu et al., 2020)。

近日，戚益军课题组在JIPB在线发表了题为“Evolution of lmiRNAs and their targets from MITEs for rice adaptation”（?https://doi.org/10.1111/jipb.13?413）的研究论文。该研究用严格的标准重新注释了水稻中的lmiRNA及其靶标，发现许多lmiRNA来源于MITE（图1）。MITE来源的lmiRNA大多数靶标位点位于MITE内，并且这些MITE与产生lmiRNA的MITE属于同一家族，表明lmiRNA 及其靶标位点很可能通过MITE的扩增共同演化而来。

图1：水稻中的lmiRNA及其来源

研究发现，大多数lmiRNA在病原菌、高温、低温或干旱等胁迫条件下水平发生动态变化，并且lmiRNA 的靶标基因富集于胁迫响应通路（图2），这意味着lmiRNA可广泛参与水稻对各种胁迫的响应。

图2: 水稻中lmiRNA的靶标基因富集于胁迫响应通路

该研究进一步探索了lmiRNA 及其靶标的演化以及lmiRNA调控在水稻环境适应性获得中的作用，发现近半lmiRNA在水稻AA基因组分化之前或之时出现，MITE来源的lmiRNA数量在AA基因组分化之时经历明显跃升（图3）。lmiRNA靶标与lmiRNA同时出现或晚于lmiRNA出现。在水稻演化过程中，lmiRNA序列很稳定，但靶标位点的序列经常发生单核苷酸变异。为了探究这些变异在水稻演化过程中是否受到选择，作者选取miR1862的一个靶标位点（位于LOC_Os02g30730基因的3’ UTR）进行深入研究，发现此靶标第19位在水稻演化过程中会发生C到T的变异，导致与miR1862发生碱基错配。在33个已进行宏基因组测序的栽培稻中(Qin et al., 2021)，第19位为C的品系大多为籼稻，第19位为T的品系则大多为粳稻，说明靶标序列的变异与水稻品系分化高度相关。为了进一步探究这些变异是否可能促进水稻环境适应性演化，作者分析了该靶标第19位为T或C的845个水稻品系的地理分布，发现第19位为T的品系倾向于分布在高纬度地区。第19位为T的频率与纬度呈正比，与温度呈反比，说明纬度和温度差异可能影响了该靶标第19位T或C的发生，而这样的序列变异可能促进水稻环境适应性的获得。

图3: 水稻中lmiRNA的演化

MITE转录本可以形成茎环结构，该研究揭示MITE是lmiRNA的重要来源。由于MITE很短小，因此可能更容易逃脱宿主的监视，从而得以大量扩增。当宿主基因有MITE插入时，它们可能成为lmiRNA的靶标。MITE通过产生lmiRNA调控基因表达可以视为转座子扩增驱动基因组进化的一种新机制。在lmiRNA及其靶标出现之后，lmiRNA的靶标序列可发生变异。由于lmiRNA对其靶标的调控高度依赖于序列配对，这些变异可能会改变lmiRNA介导的DNA 甲基化水平从而微调靶基因表达，最终导致水稻种质的分化以及对当地种植环境的适应。因此，lmiRNA及其靶标的演化可能对水稻环境适应性的获得起着重要作用。

清华大学生命学院博士生黄天笑和助理研究员李艳博士为该论文的第一作者，戚益军教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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