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植物中来源于基因编码区的siRNA（ct-siRNA）能够造成转录后基因沉默(PTGS)，具有重要的生长发育调节和环境胁迫响应功能，且能诱发转基因沉默。合作团队前期发现mRNA降解功能的缺失能够促进PTGS，在特定RNA降解突变体中内源编码区siRNA大量产生，诱导了显著的翻译抑制，结果发表于2020年的Nature杂志上 ()。在这一过程中，一个突出的现象是基因间产生siRNA的量存在显著差异，例如硝酸还原酶基因NIA1和NIA2可以产生近一半的22-nt siRNA;而某些高表达的看家基因在同样的遗传背景下产生的siRNA却很少。因此研究团队认为植物基因内源编码区siRNA的产生存在未知的选择性机制亟待解析。
近日，北京大学现代农业研究院李博生团队和南方科技大学生物系郭红卫团队在Communications Biology上发表了题为Multiple factors and features dictate the selective production of ct-siRNA in Arabidopsis的研究论文。研究团队构建了一系列具有RNA decay和PTGS因子功能缺陷的突变体，并进行了small RNA、bulk RNA和 single-nucleus RNA测序，通过比较分析ct-siRNA来源基因的序列长度、5’ UTR长度、GC含量，及其在植物发育过程和单细胞水平的表达，揭示了影响ct-siRNA选择性产生和调控的多种因素和特征，丰富了我们对植物基因沉默机制的理解。
该研究发现拟南芥RNA decay 和PTGS 因子抑制编码区产生不同水平的ct-siRNA，主要长度为 21-nt 和 22-nt，同时发现ct-siRNA来源基因倾向于具有更长的序列、5' UTR和更高的GC含量。该研究进一步利用转基因验证了GC含量超过55%的转基因片段会诱发强烈的转基因沉默，因此文章建议在遗传转化中应利用密码子简并性优化GC含量。
图1 高GC含量的转基因序列诱发siRNA产生和基因沉默
研究人员进一步检测了拟南芥ein5 dcl4 和ski2 dcl4 双重突变体不同发育阶段对ct-siRNA产生的影响，以及这两个材料的单细胞核转录组。发现ct-siRNA的积累在植物生长发育过程中呈现出波动的变化。在特定的叶肉细胞中NIA1和NIA2基因富集表达，这类细胞在ein5 dcl4 和ski2 dcl4突变体中DCL2较DCL4表达的比例也会升高。这些结果表明ct-siRNA的选择性产生同时受到基因时空表达的调节，且可能存在细胞类型特异性的基因沉默。
图2 ct-siRNA的特异性产生受到发育过程和细胞异质性影响
综上，该研究认为植物mRNA的命运最终将被RNA decay机制或PTGS机制作用后清除。RNA decay和 PTGS 途径的各种因子、基因的序列特征、发育过程和细胞异质性引起的基因时空表达模式共同决定了内源编码区siRNA的选择性产生。
北京大学现代农业研究院研究助理冯丽博士和南方科技大学生物系研究助理教授严维博士及博士后唐贤礼博士为本文共同第一作者，南方科技大学生物系郭红卫讲席教授和北京大学现代农业研究院李博生研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等资金的支持。
参考文献：
Wu, H., Li, B., Iwakawa, H.O., Pan, Y., Tang, X., Ling-Hu, Q., Liu, Y., Sheng, S., Feng, L., Zhang, H. and Zhang, X., 2020. Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation. Nature, 581(7806), pp.89-93.
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s42003-024-06142-4