利用核糖体印记（Ribo-seq）识别可翻译的水稻短开放阅读框（sORFs）及初步功能研究

Peptides encoded by short open reading frames (sORFs) are usually defined as peptides ≤100 amino acids. Usually sORFs were ignored by automatic genome annotation programs due to the high probability of false discovery. However, improved computational tools along with a high-throughput Ribo-seq approach identified a large number of translated sORFs in many species but only a few plants. In this analysis, we will determine Ribo-seq data for different tissues and different developmental stages in indica rice ZS97 and MH63, and analyze and compare the translation of sORFs in these tissues and developmental stages. We will especially analyze the sORFs translation in identified long non-coding RNA to determine whether they function in non-coding RNA or small peptides, and compare the translation efficiency of transcription factors (TFs) sORFs in 5’ and 3’ UTR and overlapping ORFs in different tissues and developmental stages in ZS97 and MH63. Then we will analyze the relationship of sORFs with chromatin open area, DNA methylation and histone modification, and investigate the remote control of sORFs. Finally, we will preliminary study the function of 3~5 sORFs by using CRISPR/Cas9 gene editing system. The implementation of this project lays a foundation for exploring the translation and function research of sORFs rarely reported in rice genome, and has important theoretical significance and potential application prospect.

短开放阅读框sORFs是指所编码的蛋白长度小于100个氨基酸的核酸序列，由于长度较短，注释软件识别存在极高的假阳性，因此目前的基因组注释中基本不包含sORFs信息。本研究通过核糖体印记技术Ribo-seq分析水稻中的sORFs基因的分布、表达、翻译情况及功能。首先测定和分析籼稻MH63和ZS97中不同组织及发育时期的Ribo-seq数据，分析水稻中可翻译的sORFs基因，尤其是非编码RNA中sORFs基因的翻译情况，以及转录因子相关sORFs基因的翻译是否具有不同组织和发育时期特异性。进一步探讨水稻中sORFs的翻译的远程调控及与染色质开放区域、DNA甲基化、组蛋白修饰的关系。在此基础上利用CRISPR/Cas9基因编辑系统初步探讨3~5个sORFs的功能，本课题的顺利实施为探讨水稻基因组鲜有报道的sORFs的翻译及功能研究奠定了基础，具有重要理论和潜在应用前景。

翻译调控是基因表达过程中的一个关键步骤，控制着mRNA合成蛋白质。本研究对三个亚洲籼稻品种（Oryza sativa ssp. xian/indica）明恢63（MH63）、珍汕97（ZS97）和它们的优良杂交后代汕优63（SY63）的幼叶、幼穗和根三种组织进行了RNA-seq和Ribo-seq测序。通过比较分析揭示了不同品种和组织间转录和翻译水平上基因表达和翻译效率之间的差异，主要得到了以下结果：（1）籼稻不同组织间的基因表达模式变化在转录和翻译水平上均高于不同品种相同组织的基因表达变化；（2）鉴定了3392个上游开放阅读框（uORF），大多数含有uORF的基因都富含转录因子；（3）在13492个长链非编码RNAs中，只有668个能够通过Ribo-seq数据检测到翻译；（4）在SY63中发现了许多具有等位基因特异性翻译效率的基因，发现许多基因在杂种后代中具有独特的翻译模式，其中一些基因与水稻的农艺形状有关。进一步证明了顺式调节元件（mRNA的二级结构和miRNA的结合）可能有助于翻译效率的等位基因差异。我们的研究结果可能会提高对水稻基因翻译调控的理解，为相关育种研究提供更多分子基础方面的思路。