近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“基因組所”）聯(lián)合崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)水稻研究所等單位在學(xué)術(shù)期刊《植物細(xì)胞（The Plant Cell）》上發(fā)表了題為“Population-level exploration of alternative splicing and its unique role in controlling agronomic traits of rice”的研究論文，該研究基于全球野生稻和栽培稻核心種質(zhì)資源，構(gòu)建了群體水平、多組織的水稻可變剪接變異圖譜，挖掘到多個(gè)可變剪接與重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的優(yōu)異基因，為深入理解剪接變異的遺傳基礎(chǔ)及其在控制水稻農(nóng)藝性狀中的重要調(diào)控作用提供了寶貴資源和新見(jiàn)解。

水稻（Oryza sativa）是重要的糧食作物之一，充分發(fā)掘和利用水稻優(yōu)異變異資源是開(kāi)展水稻遺傳改良的重要途徑。團(tuán)隊(duì)前期構(gòu)建了群體規(guī)模最大、基因組充分注釋、稻屬中系統(tǒng)的圖形超級(jí)泛基因組（Shang et al., 2022），系統(tǒng)解析了水稻核心種質(zhì)群體中的轉(zhuǎn)座子變異（Li et al., 2024）、倒位變異（He et al., 2024）、著絲粒序列變異（Lv et al., 2024）等多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異，高效挖掘了一批水稻高產(chǎn)和抗逆相關(guān)的優(yōu)異新基因，為水稻結(jié)構(gòu)變異的群體遺傳學(xué)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合超級(jí)泛基因組群體的轉(zhuǎn)錄表達(dá)圖譜，成功克隆了關(guān)鍵耐鹽新基因STG5（Wei et al., 2024）。然而，仍有相當(dāng)一部分表型變異不能被基因組序列變異直接解釋?zhuān)虼诵枰M(jìn)一步對(duì)下游潛在的功能性變異展開(kāi)探索，而功能基因的可變剪接（Alternative splicing，AS）則是其中的重要目標(biāo)。

可變剪接是真核生物中重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制，也是產(chǎn)生蛋白質(zhì)多樣性的重要原因，在調(diào)控植物表型變異方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，水稻中關(guān)于多組織，群體水平的AS研究十分有限，AS對(duì)農(nóng)藝性狀調(diào)控作用也鮮有報(bào)道，這阻礙了AS在水稻精準(zhǔn)育種和改良運(yùn)用中的潛在價(jià)值。本研究利用全球水稻核心種質(zhì)資源（包括野生稻和栽培稻）構(gòu)建葉和穗組織的AS圖譜。相比于參考基因組，AS基因的比例提高了20%，表明群體水平AS圖譜的構(gòu)建增加了轉(zhuǎn)錄本的多樣性，為水稻農(nóng)藝性狀的育種和改良提供了豐富的遺傳資源。組織間AS基因比較結(jié)果顯示，43.7%的AS基因在葉片或穗中特異剪接（圖1），表明利用多組織探究AS具有更全面的優(yōu)勢(shì)和必要性。同時(shí)，本研究鑒定了不同馴化事件和秈-粳分化過(guò)程中差異轉(zhuǎn)錄本，這些差異轉(zhuǎn)錄本有助于理解水稻在馴化和分化過(guò)程中的基因表達(dá)調(diào)控的變化。

圖1 水稻群體葉和穗組織的轉(zhuǎn)錄本組裝與鑒定

為了解析AS的遺傳調(diào)控特征，本研究利用水稻超泛基因組（Shang et al., 2022），通過(guò)剪接數(shù)量性狀位點(diǎn)定位（sQTL）將遺傳變異與剪接表型聯(lián)系起來(lái)。探索單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和基因組大的結(jié)構(gòu)變異（SVs）對(duì)基因剪接的影響。結(jié)果表明，順式調(diào)控的效應(yīng)大于反式調(diào)控，并且大約21%的順式調(diào)控僅能通過(guò)SVs解釋?zhuān)f(shuō)明大的結(jié)構(gòu)變異對(duì)基因剪接具有重要影響。進(jìn)一步分析了AS的組織特異性遺傳調(diào)控，發(fā)現(xiàn)僅22.5%的基因可以在葉和穗組織中同時(shí)被sQTL檢測(cè)到，說(shuō)明AS在組織發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。此外，影響基因剪接的遺傳變異并不一定會(huì)影響整體mRNA的豐度，超過(guò)三分之一的sGenes（具有顯著sQTL的基因）不具有顯著的eQTL信號(hào)（圖2），表明AS和基因表達(dá)可能受到相對(duì)獨(dú)立的遺傳調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)為深入理解可變剪接的遺傳調(diào)控提供了重要參考，同時(shí)也未來(lái)的水稻育種和遺傳改良提供了重要的理論基礎(chǔ)。

圖2 sQTL和eQTL的遺傳調(diào)控模式

為了探索AS如何調(diào)控水稻農(nóng)藝性狀和對(duì)水稻遺傳改良的潛在價(jià)值，本研究利用基因可變剪接與十個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了剪接-表型關(guān)聯(lián)分析（spQTL），結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉片中的58個(gè)剪接基因和穗中34個(gè)剪接基因與至少一個(gè)農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)（圖3）。其中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)株型性狀與OsPIE1基因的剪接比關(guān)聯(lián)信號(hào)最強(qiáng)，且與表達(dá)量的相關(guān)性不顯著。利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的OsPIE1基因敲除株系株型明顯改變，驗(yàn)證了利用AS變異來(lái)挖掘農(nóng)藝優(yōu)異基因的新方法。總之，本研究以可變剪接為切入點(diǎn)，探索了可變剪接對(duì)農(nóng)藝性狀的重要調(diào)控作用，為未來(lái)水稻育種和改良提供了重要的資源。

圖3 OsPIE1基因通過(guò)可變剪接調(diào)控水稻株型

基因組所商連光研究員、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室錢(qián)前院士和基因組所胡冠菁研究員為論文的共同通訊作者。基因組所博士后張泓、陳武、祝德和在讀碩士生張彬濤、許強(qiáng)為論文共同第一作者。該研究得到科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心、廣東省自然科學(xué)基金杰出青年基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程科學(xué)中心和中國(guó)農(nóng)科院青年創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金資助。該工作得到了基因組所、中國(guó)水稻所和崖州灣科技城超級(jí)計(jì)算平臺(tái)的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae181

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