水稻环形RNA在禾本科中的保守性及其功能研究

Circular RNAs (circRNAs) are a distinct class of newly discovered endogenous RNAs, which are generated by a non-linear backsplicing event. A large number of circRNAs have been identified in humans, plants and animals. Researches on circRNAs have become a hot area of research for the recent years. It has been revealed that circRNAs have important functions in plants, however, researches on circRNAs in crops including rice are limited with unclear features and functions. In this study, we are going to focus on conservation analyses and to reveal the features and functions of rice circRNAs that are conserved in the grass family. We will generate transcriptomes of rice, maize and wheat at different developmental stages and tissues. circRNAs in these three crops will be comprehensively identified and their expression patterns will be investigated. Meanwhile, conservation of circRNAs in these three crops will be analyzed including sequence, location and expression conservation, providing conserved rice circRNAs in the grass family. Moreover, we will select 50 candidate rice circRNAs based on conservation and expression analyses to perform over-expression or CRISPR editing experiments for functional validation in rice. Our study is expected to reveal the important functions of some rice circRNAs. The project will finally provide new network nodes for revealing molecular mechanisms of important agricultural traits in rice, as well as further knowledge on plant circRNAs.

环形RNA是由于特殊的反向剪切反应而形成的一类RNA分子，在人和动植物基因组中被大量鉴定，为近年来研究的一个热点和前沿。环形RNA在植物中也已被证实具有重要的基因调控功能，但水稻等作物环形RNA研究仍然很有限，其特征和功能有待进一步揭示。本项目拟以环形RNA保守性分析为切入点，对禾本科保守的水稻环形RNA特征及功能做进一步阐明。具体内容包括测定禾本科中重要作物水稻、玉米、小麦不同发育时期、不同组织环形RNA转录组，全面鉴定并解析环形RNA在三个作物中的时空表达特异性，阐明三者环形RNA在序列、位置及表达上的保守性情况，确定禾本科保守的水稻环形RNA；筛选50个水稻生长发育相关的关键候选环形RNA进行过表达或基因编辑功能验证，预期揭示水稻部分环形RNA的重要功能。本研究已有良好的前期研究基础，研究结果将为水稻重要性状分子调控网络解析提供新的节点，增加对植物环形RNA的进一步认知。

环形RNA是由于特殊的反向剪接反应而形成的一类RNA分子，在人和动植物基因组中被大量鉴定，为近年来研究的一个热点和前沿。环形RNA在植物中也已被证实具有重要的基因调控功能，但水稻等作物环形RNA研究仍然很有限，其特征有待进一步揭示。本项目获取水稻、玉米和小麦环形RNA转录组数据，并进行了鉴定，初步发现环形RNA在三者中的保守性很低。进一步拼接了6519个水稻环形RNA全长序列，并基于序列和表达模式分析了这些环形RNA在46个植物物种中的保守情况：在基因组序列层面，只有8.7%在双子叶植物中保守，近一半（49.1%）在稻属中保守，表明环形RNA可能是新近起源；通过对稻属不同种的转录组测序，发现水稻环形RNA表达的保守性可能仅在属范围内。此外，为了获得更为全面的植物环形RNA数据集，我们收集了来自21种植物的171118个环形RNA，并进行了全长鉴定，整合在植物环形RNA数据库PlantcircBase 7.0；并利用749个RNA-Seq数据集重建了约30000个环形RNA全长转录本，对水稻转录组进行了长读序测序（Nanopore），探究了其对植物环形RNA全长获取的有效性；利用该版数据库收集的大规模环形RNA，再次对环形RNA进行了保守性分析，结果与上述水稻环形RNA保守性分析研究一致，仅发现非常低比例的环形RNA在多个物种中保守。研究结果丰富了人们对植物环形RNA的认知，为这一新的功能分子的研究提供了重要基础，标注论文发表在New Phytologist和Plant Communications期刊。