张德强教授团队在林木miRNA进化与功能研究领域取得新进展

林木重要经济性状如木材形成不仅受编码蛋白的基因调控，还受非编码调控因子如miRNA的强烈作用，其遗传调控机制非常复杂。但，先前的研究仅关注蛋白编码基因的遗传变异效应，而作为遗传变异的另一重要贡献者“非编码RNA” 的进化地位、功能作用及等位变异机制等未能得到全面解析；先前被认为是“基因组垃圾”的非编码序列遗传效应长期被忽略，林木数量性状遗传结构解析研究仅处于起步阶段。为此，我校生物学院张德强教授团队依托“973计划”课题、中央高校基本业务费、国家自然科学基金等课题联合资助，在前期创制林木基因标记辅助育种理论体系的基础上，首次系统开展了林木非编码小RNA功能进化与等位变异联合解析工作。

创新点1：揭示了杨树特有miRNA基因组稳定性、群体适应性以及功能进化规律

保守miRNA遗传调控与进化地位解析是目前分子遗传学与分子生物学领域的热点。然而，对生死交替速率更大的物种特有miRNA还未见报道。因此，研究团队首次完成了林木特有miRNA在基因组稳定性维持、群体适应性以及全基因组复制后的功能更新等方面的研究工作。

该研究通过群体遗传学、关联遗传学、杂交群体复合似然比率等统计学手段，系统解析了杨树特有miRNA群体适应性机制，并剖析了SNP位点对物候性状的遗传效应。研究显示约50%为杨树特有miRNA，而32%的miRNA与基因序列重合，且miRNA序列在基因5′UTR区域显著富集且在表达上有显著相关性，表明了结构基因在miRNA形成中的重要作用。进化分析显示，杨树特有miRNA具有更快的更新速度，在表达水平上经历了由低到高的进化模式，miRNA家族成员与靶基因数目也由少至多，最终可作为保守的miRNA在进化中长期保留下来；特有miRNA倾向于调控杨树全基因组复制后保留下来的基因，这些基因具有抗病、信号传导等重要功能，表明杨树特有miRNA在基因组稳定性维持中起重要作用。关联研究显示杨树特有miRNA变异位点与群体适应性显著关联。研究首次揭示了杨树特有miRNA在进化来源、基因组稳定性维持、群体适应性方面具有的重要功能，为全面解析miRNA起源、功能以及在林木遗传改良中的关键作用奠定了基础。

研究成果近期在线发表于国际著名植物学杂志《New Phytologist》上（IF="7.21），文章第一作者是生物学院青年教师谢剑波博士。

创新点2：阐明了林木群体miRNA及其靶基因等位变异互作机制
先前大量研究表明，miRNA及其靶基因内SNPs与人类疾病显著连锁，但在植物领域非编码等位变异研究鲜有报道。特别是，在多年生林木群体水平，miRNA基因与靶基因结合位点的SNP分布、效应及互作机制等尚属空白。
该研究首先采用高通量测序发现了一系列参与木材形成过程的关键miRNA及其靶基因，并对217 miRNAs 基因和1196个靶基因进行了毛白杨种质资源群体重测序工作。在上述基础上，系统分析了位于编码初级miRNA转录本（pri-miRNA）、miRNA前体（pre-miRNA）茎环结构区、及其成熟miRNA序列的SNP分布规律，发现了SNP主要位于pre-miRNA的颈环结构区和miRNA非种子区域，且该类miRNA基因的SNP主要通过影响miRNA的加工过程和/或影响miRNA-mRNA的相互作用而干扰miRNA的调控能力。同时，对靶基因结合位点上的SNP进行检测，发现了SNP变异可通过导致自由能的改变或功能构象的消失，影响miRNA与靶序列结合而丧失其原有的调控功能，最终导致整个遗传调控网络的改变，全面揭示了miRNA基因和靶基因结合位点的SNP分布、影响及相互作用。随后，采用多基因关联模型，并通过共表达分析和降解组测序验证，剖析了miRNA与靶基因内SNP对林木生长与木材纤维品质的加性、显性与上位性遗传效应，发掘了与木材品质显著关联的非编码基因内SNP组合，建立了miRNA及其靶基因在木质纤维品质形成途径的上位性互作网络，研究为推动非编码RNA在林木数量遗传改良中的应用提供了全新的理论与策略。

研究成果近期发表在国际著名植物学杂志《New Phytologist》上（影响因子为7.21）。文章第一作者是生物学院在读博士生陈金辉。
附论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14046/full
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14040/full