Plant Journal | 浙江大学史晓雯课题组合作揭示玉米染色体数目变异对长链非编码RNA表达的影响

早在二十世纪初，科学家便发现非整倍体（部分染色体数目异常）相较于整倍体变异（如单倍体或多倍体）对 植物生长发育具有更显著的不利影响（Blakeslee et al., 1920） 。该现象被归因于基因组失衡或剂量效应，其本质源于基因或染色体数目变化所引起的化学计量关系紊乱。基于此，基因平衡假说提出：非整倍体中部分染色体拷贝数的改变会破坏蛋白质复合体的化学计量平衡，影响其组装与功能，进而通过转录因子网络和信号级联反应导致全基因组表达失调，最终抑制植物正常发育（Birchler and Veitia, 2012）。转录组研究表明，在植物非整倍体中，拷贝数变异区域不仅影响该区域内蛋白编码基因基因、microRNA和转座子的表达，也广泛影响拷贝数未变异区域上述元件的表达（Hou et al., 2018; Shi et al., 2021; Yang et al., 2021; Yang et al., 2022; Shi et al., 2022）。然而，长链非编码RNA（lncRNA）作为基因表达调控中的重要成分，其表达是否受到非整倍体引起的基因组失衡的调控，以及其中具体的调控机制，目前仍缺乏深入的研究。

近日, 浙江大学农业与生物技术学院史晓雯课题组与美国密苏里大学James A. Birchler院士团队合作在ThePlantJournal期刊发表了题为“Genome imbalance modulates the expression of long non-coding RNAs in maize”的研究论文。该研究揭示，lncRNA对基因组失衡的响应模式与蛋白编码基因相似，但对剂量变化更敏感，并可能作为剂量敏感型调控因子参与基因表达调控。本研究首次系统解析了植物基因组失衡背景下的lncRNA表达调控特征，深化了对基因组失衡机制的理解，为探索lncRNA的调控功能提供了重要资源，也为解析基因调控与基因组结构变异之间的复杂互作提供了新视角。

研究团队系统分析了不同染色体数目变异对玉米lncRNA表达的影响，获得以下发现：首先，玉米lncRNA表现出多样化的剂量响应模式。位于拷贝数变异区域的lncRNA主要表现为基因剂量效应或补偿效应，而位于非变异区域的lncRNA则呈现反向剂量效应或与染色体拷贝数呈正相关的趋势；这些效应在单倍体和多倍体中相对较弱。其次， lncRNA的剂量响应模式在玉米的不同功能分子（如蛋白质编码基因，microRNA和转座子）之间以及跨物种间均表现出高保守性。然而，与蛋白质编码基因相比，lncRNA在剂量响应中显示出更显著的动态变化，表明其在基因组失衡状态下可能受到更复杂的调控，这可能源于其独特的进化约束与多样的功能机制。进一步通过共表达网络分析，发现lncRNA在基因组失衡条件下具有作为剂量敏感型调控因子的潜力。该研究为发掘具有重要生物学功能的剂量敏感型非编码调控因子提供了重要线索与数据资源。

浙江大学农业与生物技术学院博士后岳文杰与硕士研究生余闯为该论文的共同第一作者，美国密苏里大学生物科学系James A. Birchler院士与浙江大学农业与生物技术学院的史晓雯研究员为该论文的共同通讯作者。美国密苏里大学生物学系的科研科学家杨华、浙江大学农业与生物技术学院的研究生林诗琪、柳舒怡参与了本研究的部分工作。本研究由国家自然科学基金（NSFC）和美国国家科学基金会（NSF）共同资助。

参考文献：

Birchler, J. A. & Veitia, R. A. Gene balance hypothesis: connecting issues of dosage sensitivity across biological disciplines. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 14746–14753 (2012).

Blakeslee, A. F., Belling, J. & Farnham, M. E. Chromosomal duplication and Mendelian phenomena in Datura mutants. Science 52, 388–390 (1920).

Hou, J. et al. Global impacts of chromosomal imbalance on gene expression in Arabidopsis and other taxa. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 201807796 (2018) doi:10.1073/pnas.1807796115.

Shi, X. et al. Genomic imbalance determines positive and negative modulation of gene expression in diploid maize. Plant Cell 33, 917–939 (2021).

Yang, H. et al. Predominantly inverse modulation of gene expression in genomically unbalanced disomic haploid maize. Plant Cell 33, 901–916 (2021).

Yang, H., et al. Genomic imbalance modulates transposable element expression in maize. Plant Commun. 13;4(2):100467 (2022).

Shi, X. et al. Dosage-sensitive miRNAs trigger modulation of gene expression during genomic imbalance in maize. Nature Communications 13, 3014 (2022).

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.70464