Science文章:小RNA+选择+花色样式进化

发稿时间：2017-11-27来源：天昊生物

摘要：“小RNA”的“大功能”

小RNAs（sRNAs）可以调控植物和动物基因。本研究发现金鱼草群体范围内花色样式差异是由一个反向重复产生的sRNAs引起，其转录本的复杂性和大小表明该重复是在microRNA进化相关通路上的一种中间产物。sRNAs抑制一种色素合成基因的表达，从而在传粉昆虫进入花内的部位产生黄色亮斑。该反向重复在自然混合区渐变群中表现出等位基因频率的陡然增高，表明该等位基因受到选择。因此，sRNAs的互作调节是选择的结果，并且造成了进化上花色表型的多样性。

发表时间：2017年11月17日发表期刊：Science影响因子：37.205

研究背景：

系统性研究选择所用的自然群体通常源自相近物种或接触群体的混合区域，金鱼草中两个花色不同的亚种即来自该类混合区自然群体，它们会通过花色吸引蜜蜂传粉，但是花色样式的不同会产生引导蜜蜂进花方式不同的结果（花也有自己的“信号灯指示系统”：））。但是目前是有什么调控花色样式的变化的，仍不够清楚。

研究材料：

金鱼草A.m.pseudomajus ROS^P SULF^P、A.m.striatumros^Ssulf^S、JI7、JI75、JI660及杂交F1代。

研究方法：

小RNA测序、mRNA测序、SNP分型技术、重测序、RNA杂交、qRT-PCR

研究结果：

A. m. pseudomajus亚种花是品红色，依靠其上的黄色斑块引导蜜蜂进花（图1-A）。而A. m. striatum亚种恰恰相反，花是黄色，引导蜜蜂进花的位置是品红色（图1-B）。在混合区中则会出现两种亚种的渐变群体（图1-C）。

图1、花色样式表型及色素合成途径

前人研究表明，品红色素的产生是受到ROSEA(ROS)和ELUTA(EL)调控的，而黄色色素的产生则是由SULF基因座调控的。

首先对SULF和sulf表型金鱼草分离群体的基因组混池测序，通过对SNP纯合子密度作图，将SULF定位到了4号染色体3.2Mb区域。之后结合转座子突变实验，最终发现在A. majus (SULF)中的同源Am4’CGT基因，并且它的同源基因是反向重复排布（图2-A）。进化树分析表明SULF反向重复可能是从Am4’CGT进化来的（图2-B）。为了研究这种反向重复是否受到选择，研究人员又利用混合区A. m. pseudomajus（n=96）和A. m. striatum（n=95）渐变群个体进行测序，并结合50个体混池测序，初步定位到了SULF附近145kb区域的测序深度降低，后来区域PCR扩增测序后发现确实在A. m. pseudomajus中存在的SULF在A. m. striatum群体中缺失或者低频（图2-C）。通过对混合区左右20km区域金鱼草SNP分析，发现了与SULF和ROS花色变化基因相关的陡变的现象，进一步表明该区域存在这强烈的选择效应（图2-D）。

图2、SULF基因座定位及选择信号鉴定

研究人员根据SULF和Am4’CGT的反向重复特性，推测这种花色样式进化的机制可能是由小RNA调控的。通过小RNA 测序在sulf-660和SULF-661中比较发现，SULF-661中的小RNA含量明显的要多（图3-A、B）。RNA杂交结果也证明这些主要是从SULF而来，并且与颜色成相关性（图3-C、D），RNA原位杂交和qRT-PCR结果再次证明了这一结论（图3-E、F）。

图3、SULF基因座产生的小RNA可以靶向同源基因Am4’CGT

如果对反向重复的选择是一种调控互作建立的普遍机制，在基因组中应该有很多类似SULF的基因。最后通过检测与SULF相似的反向重复序列频率与表达水平，对基因组的扫描也发现了许多类似可能产生不同发夹长度区域（图4-A）。但是这些序列主要产生的是>21 nt的小RNA,不像由SULF产生的一样是21 nt（图4-B）。此外，由SULF产生的小RNA群体复杂性相对较低。根据片段大小和复杂程度寻找到一类与SULF相似的保守的microRNA位点（图4-B，橙色)，发现SULF发夹是典型保守microRNA发夹含量的５倍以上，这些都表明SULF生成更长的功能性长的调节发夹RNA。

图4、金鱼草中反向重复与microRNA基因表达和频率分布图

结论：

• 发现金鱼草吸引蜜蜂入花的花色样式不同是由金鱼草品红色素ROS和黄色色素SULF的调控基因座位决定的。
• 经过分离群体基因组测序和转座子突变实验，寻找到SULF的同源基因Am4’CGT，具有反向重复的结构特征。
• 发现SULF基因座产生的小RNA可以靶向同源基因Am4’CGT，进而调控花色样式变化。
• 通过分析反向重复与microRNA基因表达和频率结果，发现这些影响花色的基因座具有强烈的选择效应，进而影响了花色样式的进化。

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