曾经被认为没有作用的“暗物质” DNA对于水稻繁殖至关重要

与野生型菌株相比，突变菌株中的雌蕊具有更高的柱头数量（雌蕊中收集花粉的部分）。黄色条表示1mm。

产生非编码RNA的DNA区域是植物生殖器官正常发育所必需的。

冲绳科技大学研究生院（OIST）的研究人员阐明了“暗物质” DNA的生殖作用-以前似乎没有任何功能的非编码DNA序列。

他们的发现发表在今天（2020年6月19日）的《自然通讯》上，揭示了一个特定的非编码基因组区域对于水稻中雄性和雌性生殖器官的正常发育至关重要。

该研究论文的资深作者，OIST科技集团副研究员Reina Komiya博士说：“稻米是全球主要农作物之一，也是包括日本在内的许多国家的主食。”“对这些基因组区域如何影响植物繁殖的进一步研究可能会导致提高水稻的产量和更稳定的产量。”

MicroRNA2118靶向超过1000个长的非编码RNA进行切割，以产生许多富含富尿嘧啶的小RNA，这可能受Argonaute的帮助。这些次级小RNA然后可以与Argonaute相互作用以调节生殖器官的发育。

以前的许多开发研究都集中在基因上-基因的DNA片段提供了制造蛋白质的说明。但是在诸如植物和动物这样的复杂生物中，基因组的很大一部分（通常在90％至98％之间）实际上并不编码蛋白质。

长期以来，这种“垃圾DNA”的泛滥一直困扰着生物学家，许多人将其称为基因组的“暗物质”。但是最近的研究表明，许多这些非编码基因组区域毕竟可能具有功能，从而产生了非编码RNA。

如今，科学家已经鉴定出多种类型的非编码RNA，从长度仅20-30个核苷酸碱基的小分子到200多个核苷酸的长分子。尽管研究表明，非编码RNA在调节基因表达中起着至关重要的作用，即基因指令用于制造RNA或蛋白质的过程，但每个特定非编码RNA的确切功能仍知之甚少。

Komiya博士对生殖特异性RNA特别感兴趣。这些是非编码的RNA，是随着生殖系统的形成而产生的。我想揭露它们在雄蕊和雌蕊，植物的雄性和雌性生殖器官发育中扮演什么角色。

制作突变体

在这项研究中，小宫博士的研究小组专注于特定于复制的microRNA，这是一类主要的小型非编码RNA，称为microRNA2118。

科学家通过删除基因组的一个区域来创建突变水稻菌株，该区域包含特定DNA序列的多个拷贝，从而产生了microRNA2118。他们发现突变菌株是不育的，并在雄蕊和雌蕊的结构中显示出异常。

Komiya博士说：“这意味着microRNA2118在雄蕊和雌蕊正常发育中的作用对于植物的育性至关重要。”

揭示RNA和探测蛋白

为了更深入地研究microRNA2118如何控制花药的发育，科学家们随后确定了哪些其他分子受microRNA2118影响。

他们发现microRNA2118触发了长非编码RNA的切割，产生了许多微小的RNA分子，称为次级小RNA。

Komiya博士说：“有趣的是，这些小RNA富含尿嘧啶，这是RNA中发现的四个核苷酸碱基之一，与其他小RNA相比非常不寻常。”“我们希望找出这些小RNA的确切功能，以及核苷酸组成的这种差异是否重要，以便进一步研究。”

科学家还发现，仅在雄蕊中产生的两种Argonaute蛋白依赖于microRNA2118的存在。先前的研究表明，Argonaute蛋白质与小RNA结合在一起执行许多调节功能，例如沉默基因和切割RNA。

因此Komiya博士的研究小组提出，Argonaute蛋白可能与microRNA2118相互作用，从而触发次级小RNA的产生。这些蛋白质还可以与次级小RNA相互作用，使基因组的特定区域沉默。该小组希望进一步阐明Argonaute蛋白和次级小RNA如何影响植物生殖系统的发育。

“繁殖是将遗传信息传递给下一代的重要现象，对于维持稳定的产量供应至关重要。但是，生殖系统的发育非常复杂，许多方面仍然未知。” Komiya博士总结道。“这项研究表明，源自基因组区域的非编码RNA被认为是非功能性的，对于植物繁殖至关重要。进一步探索非编码RNA是令人兴奋且重要的研究领域。”

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参考：“水稻花药壁发育中miR2118依赖性的富含U的phasiRNA的生产”，Saori Araki，Ngoc Tu Le，Koji Koizumi，Alejandro Villar-Briones，Ken-Ichi Nonomura，Masaki Endo，Haruhiko Inoue，Hidetoshi Saze和Reina Komiya，6月19日2020年，《自然通讯》，DOI：
10.1038 / s41467-020-16637-3

这项研究得到了日本科学技术署（JST）战略创意研究促进项目PRESTO（用于控制田间植物生命现象的下一代基本技术的创建）和创新领域科学研究的资助。 （RNA分类）。