水稻长非编码RNA对产量性状相关LRK基因簇转录激活调节的分子机制研究

LRK gene cluster was associated with yield traits in rice and showed haplotype divergence in hybrids. We found that there exists an antisense transcript at the 5’-terminal locus of LRK gene cluster. Sequence analysis showed that the transcript has the structural characterization of long non-coding RNA, named as LRK cluster intergenic antisense RNA (LIAR RNA). Sense and antisense LIAR RNA were transformed into rice callus cells. Overexpression of LIAR RNA enhanced plant growth, increased expression levels of LRK1 and LRK4 genes, and activated the promoters of LRK1 and LRK4 genes. By contraries, interfering expression of LIAR RNA inhibited growth, decreased expression levels of 8 members of LRK gene cluster. Our application project will further study as following: 1. We will further confirm LIAR RNA as transcriptional activator to regulate the expression of LRK gene cluster; 2. To determine the regulatory mechanism of the LRK gene cluster’s allelic expression differences in hybrids, we will analyze the discrepancy that LIAR RNA activated promoter elements of LRK genes from different genetic backgrounds; 3. To present a new model for long non-coding RNA regulating gene expression in plant, various techniques analyzing interaction between biological molecules, such as, RNA immunoprecipitation, CHIP assay and so on, will be used to screen proteins interacting with LIAR RNA and to address the relationship among LIAR RNA, proteins and genomic DNA located in LRK gene cluster. This work will supply a new idea and way to improve rice yield.

水稻LRK基因簇与产量密切相关，在杂合子中呈等位基因单倍型表达特点。我们发现LRK基因簇5’-端存在一个反向转录本，序列分析表明它具有长非编码RNA特点，命名为LIAR RNA。将正义和反义LIAR RNA转入水稻植株发现LIAR RNA过表达导致植株生长旺盛，促进LRK1和LRK4基因表达，并能激活它们的启动子；反之，干扰正常LIAR RNA表达使植株生长受抑制，同时8个LRK基因表达水平降低。本项目将研究：1、进一步肯定非编码RNA对LRK基因簇的调控作用；2、分析LIAR RNA对不同遗传背景来源的LRK启动子激活能力差异，分析杂合子中LRK基因簇单倍型表达的分子机理；3、多种分子相互作用技术相结合发现与LIAR RNA互作的调节蛋白及复合物，并且分析这些蛋白质与LRK基因簇所在基因组区段的关系，构建LIAR RNA激活LRK基因簇表达的分子模型。这为水稻遗传改良提供新思路及途径。

水稻作为重要的单子叶作物品种，已具备良好的分子遗传学基础和分子育种系统。尽管很多转录组分析结果表明在水稻中存在大量的非编码RNA，但是这些非编码RNA的生物学功能却不清楚。本项目发现并深入研究了一条新的水稻非编码RNA LIAR，在后续文章发表过程中正式更名为LAIR（LRK cluster intergenic antisense RNA）。它处于产量性状相关基因簇LRK上游。通过遗传转化和生物化学分析表明水稻中LAIR的过表达可以引起LRK基因簇部分基因的转录上调，并在植株水平产生显著的增产相关表型。同时，反义LAIR干扰株系中所有LRK基因均发生转录下调，并导致植株生长抑制与育性下降。启动子激活实验证实，LAIR可以在水稻细胞内差异化激活调控LRK基因。此外，染色体免疫共沉淀实验发现了LRK1基因组区域组蛋白修饰H3K4me3和H4K16ac的显著富集。通过RNA免疫共沉淀与质谱相结合的方法获得了与LAIR lncRNA相互作用的蛋白OsWDR5和OsMOF，并且优化了ChIRP（ChromatinIsolation by RNA Purification）技术证实了了LAIR lncRNA和调控蛋白OsWDR5/OsMOF能够分别在LRK1基因组区域结合。因此，长链非编码RNA LAIR可能结合染色体修饰蛋白，定位到基因组特定区域，通过表观遗传修饰的方式，实现对临近座位LRK基因簇的差异化激活调控。本项目的研究成果不仅揭示了水稻LAIR lncRNA对产量性状相关LRK基因簇转录激活调节的分子机制，而且为其他非编码RNA生物学功能的研究提供了可行的研究方法和思路，这些成果有望为水稻分子育种提供新资源与途径。