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Mission impossible with MISSEN——lncRNA MISSEN参与水稻胚乳发育

胚乳是水稻种子的主要食用部分，胚乳的发育情况直接影响稻米的产量和品质。长链非编码RNA （long noncoding RNAs, lncRNA） 是一类长度超过200nt的非编码RNA，其数量众多，但绝大部分的功能都还是未知的。lncRNA对胚乳发育的调控功能知之甚少。

2021年11月11日，中山大学生命科学学院陈月琴团队在Nature Communications杂志上在线发表了题为The parent-of-origin lncRNA MISSEN regulates rice endosperm development的研究论文，发现了一个母本来源的lncRNA MISSEN （MIS-SHAPEN ENDOSPERM） 影响水稻胚乳早期发育。

陈月琴团队前期发现，lncRNA （XLOC_057324） 的T-DNA插入突变体出现结实率降低、种子上细下凸的“大肚子”表型，因此将该lncRNA命名为MISSEN （MIS-SHAPEN ENDOSPERM） 。MISSEN在水稻授粉后的颖果中表达急剧下调，进一步构建MISSEN的过表达 （MISSEN-OX） 和RNAi干扰 （MISSEN-RNAi） 转基因植株，发现MISSEN-OX植株出现与T-DNA一致的胚乳发育异常的表型，而MISSEN-RNAi植株胚乳发育更快。

图. MISSEN过表达导致胚乳发育异常

通过曙红染色观察早期胚乳的发育情况发现MISSEN过表达会导致合胞体阶段游离胚乳细胞核数目减少、聚集以及后续细胞化过程受阻。而MISSEN敲低则会使胚乳细胞化的进程更快。

为了探究MISSEN行使功能的分子机制，研究人员首先通过免疫荧光和核质分离的方法研究MISSEN的亚细胞定位，结果都表明MISSEN定位于细胞质。紧接着通过MISSEN的RNA pulldown结果鉴定到螺旋酶蛋白HeFP （Helicase Family Protein） 可能是MISSEN的结合蛋白。通过体外的一对一pulldown以及RIP实验证实MISSEN可以在体外结合HeFP，同时原生质体体内的TriFC实验也证实MISSEN可以在体内结合HeFP。

进一步构建HeFP的敲除 （hefp） 和过表达 （HeFP-OX） 转基因植株，发现hefp植株也出现了胚乳发育异常的情况，而HeFP-OX植株则胚乳发育进程更快。早期胚乳的发育的曙红染色观察发现HeFP敲除会导致游离胚乳细胞核数目减少、聚集以及后续的细胞化过程受阻。而HeFP过表达则会使胚乳细胞化的进程加快。

通过HeFP的免疫沉淀以及体内体外实验证实HeFP可以结合tubulin，并且发现MISSEN-OX和hefp植株胚乳细胞的tubulin免疫荧光出现微管减少、纺锤体结构异常、后期细胞壁形成受阻的异常情况。

以上结果表明MISSEN很有可能抑制HeFP和tubulin结合。因此作者将HeFP按照结构域进行分段，发现MISSEN和tubulin都结合HeFP的同一个位点，同时，在体外的免疫共沉淀实验中，当MISSEN存在时，HeFP沉淀下来的tubulin明显减少。说明MISSEN通过与tubulin竞争结合HeFP，阻止HeFP参与胚乳发育的调控。

最后研究人员发现，MISSEN的表达量在授粉后会逐步下调，而这种表达下调是通过组蛋白H3K27me3修饰所介导。这暗示MISSEN可能是一个亲本起源的lncRNA，作者进一步通过杂交以及后续的检测证明MISSEN的确是一个母本来源的lncRNA。

综上所述，该研究发现一个母本来源的lncRNA MISSEN，授粉后通过对其启动子区的H3K27me3修饰增加，使其表达逐步下调，以保证胚乳发育能够正常进行。

图. MISSEN与tubulin竞争结合HeFP，授粉后MISSEN的表达由H3K27me3修饰关闭

该论文的第一作者为周燕飞博士、张玉婵副教授和孙雨蒙博士，通讯作者为陈月琴教授。本研究由国家自然科学基金重大研究计划重点项目和国家自然科学基金广东联合基金重点项目支持完成。

陈月琴教授团队多年来致力于非编码RNA在调控水稻性状中的功能研究，发现了一批调控水稻产量、育性等方面的小分子非编码RNA和长链非编码RNA，今年也在The Plant Cell杂志报道了一类小分子非编码RNA phasiRNA及其结合蛋白在调控花粉发育中的作用。

相关论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41467-021-26795-7.pdf

2.https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab138/6277900?guestAccessKey=f2a21504-2d27-49e5-bf51-e512ffc12d12