水稻基因组“垃圾DNA”的真相

对于动植物的DNA来说,仅有不到5%能够翻译成蛋白质,进行生命活动。而大部分DNA转录成RNA之后,便不再继续翻译,这些非编码RNA一度被认为是转录中的“噪音”“暗物质”, 甚至有人认为这是“垃圾DNA”。
近十年来,随着探索未知的技术的进步,这些所谓“垃圾DNA”的重要性才开始为人们所了解。
近日,来自中国农业科学院作物科学研究所(以下简称农科院作科所),水稻优异种质资源发掘与创新利用团队等研究人员利用全基因组分析的手段,对水稻及其近缘野生种基因组中的“垃圾DNA”进行注释。结果发现,有些被称做“垃圾DNA”的变异与水稻淀粉含量、籽粒大小等重要农艺性状的多样性相关。其研究结果发表在《科学进展》上。
分子生物学的中心法则描述了遗传信息的传递方向,即DNA转录产生mRNA,mRNA利用所携带的遗传信息指导蛋白质的合成。中心法则认为,蛋白质是生命活动的主要承担者。
随着大量生物全基因组测序的完成,科学家们发现绝大多数生物基因组中90%以上的DNA不编码任何蛋白质,于是将其极品游戏网划入了垃圾行列。
后来科学家又发现,人类编码蛋白的基因数量跟蠕虫的几乎相同,所以仅靠编码区的DNA差异,没法解释人与其他生物的差异。
而所谓的“垃圾DNA”才是唯一随着生物复杂性增加而数量增加的基因组区域。同时,科学家发现,“垃圾DNA”对人体的影响作用渗透到了遗传调控网络中的方方面面,从罕见的遗传疾病到唐氏综合征,从常见的病毒感染到衰老过程等,都与其脱离不了干系。对这些非编码DNA的研究,宣示着新一轮基因功能研究革新时代的到来。
该论文第一作者、农科院作物所副研究员郑晓明介绍,非编码DNA对动物体的影响作用研究已有很多,但大家对其在植物中发挥的作用知之甚少。
“在水稻基因组中,目前已克隆的影响水稻形态性状的基因位点大概有3000多个,99%以上的基因位点都是蛋白质编码区。但是,借助于全基因组关联分析技术,我们发现,跟水稻形态、性状的多样性相关的变异大部分集中在非编码区。”郑晓明告诉《中国科学报》。
“尽管科学家们对作物驯化进行了近20年的基因组学研究,但我们对大多数作物在驯化过程中发生形态性状改变的遗传基础却不了解。”该论文另一作者、美国华盛顿大学圣路易斯教授Kenneth M.Olsen说。
基于非编码DNA区域在组织中表达量低、保守性差,用于探索其功能的手段比较落后等原因,对其研究一直落后于对编码区DNA的研究。
“随着基因组测序技术的发展,我们可以利用去核糖体RNA测序的方法,更精确、广泛得到组织中表达的DNA区域。”郑晓明说,“从野生稻到现在食用的水稻,仅经过了一万多年的人工驯化、改良,其株型、穗型、粒型以及种皮颜色等都发生了巨大的变化。在此过程中,累积的突变、重组次数少,所以噪音小,水稻及其近缘野生种是适合进行非编码DNA的研究体系。”
她所在的团队致力于水稻及其近缘野生种的种质资源收集和研究工作,一直以来,积累了丰富的水稻及其近缘野生种的研究材料。
他们首先对水稻及其近缘野生种进行了全链特异性转录组测序,鉴定了3363个长链非编码RNA。结合多组学深入分析表明,下调的长链非编码RNA受到人工选择,并与碳固定和碳水化合物代谢相关。
研究人员又进一步利用转基因实验和群体遗传分析证实,长链非编码RNA表达水平的差异直接导致了水稻驯化过程中多个籽粒性状的变异。
“这项研究首次从全基因组水平对水稻及其祖先种的长链非编码RNA结构、表达模式、分子机制和进化历史进行深入研究,揭示了长链非编码RNA调控水稻重要农艺性状变异的分子机制,为水稻农艺性状变异研究提供了新思路,可为水稻全基因组设计育种提供路线图,对水稻遗传改良具有重要的指导意义。”该论文通讯作者、农科院作科所研究员杨庆文说。
张学勇是作科所小麦基因资源课题组研究员,他认为,郑晓明等人发现了长链非编码RNA对于水稻生长全过程的调控作用,这具有很强的创新性。
“这给今后人为控制DNA转录量,进而改变性状提供了一种可能性。比如,对于患有糖尿病、尿毒症等疾病的人来说,如果能降低水稻中的淀粉含量,就不必禁食大米。”张学勇说,“同时,这项研究也给做其他谷物研究的人提供了一个新视角。既然在水稻中有这样的调控系统,那在小麦、玉米、高粱等作物中,会不会也存在呢?这需要进一步的研究。”