水稻是全球半数人口的主粮，而土壤盐碱化严重制约水稻产量，培育耐盐品种、开发利用盐碱地意义重大。水稻耐盐是多基因控制的复杂性状，全基因组关联分析（GWAS）虽定位到大量耐盐相关变异，但绝大多数位于非编码区、不改变蛋白质序列。以往人们主要借助表达数量性状位点（eQTL，影响基因表达量）和剪接数量性状位点（sQTL）来解读这类变异，仍有相当一部分变异的调控机制悬而未决，亟待跳出“以转录为中心”的研究范式。
mRNA 3’端加尾过程的选择性多聚腺苷酸化（alternative polyadenylation, APA）为此提供新视角。真核生物中约70%的基因存在APA，同一个基因可在3’UTR 内选择不同的加尾位点，产生3’UTR长短不一、但编码区完全一致的mRNA异构体。3’UTR上密布RNA结合蛋白和miRNA结合位点等顺式调控元件，掌管着mRNA的稳定性与翻译效率。即使表达量不变，细胞仍可靠改变mRNA尾巴在转录后精细调节基因功能。但APA在植物群体层面的动态图谱及其遗传基础此前近乎空白。
近日，江西农业大学联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所、崖州湾国家实验室、中国水稻研究所、江西科技师范大学等多家单位，在Journal of Integrative Plant Biology（JIPB）在线发表题为Pan-genomic analysis of alternative polyadenylation reveals a 3’UTR remodeling regulatory layer controlling salt tolerance in rice的研究论文，构建了水稻群体盐胁迫APA动态图谱与3’aQTL遗传图谱，揭示3’UTR重塑独立于转录的调控机制，为利用非编码变异改良水稻耐盐性提供了新靶标与遗传资源。
团队利用全球核心种质群体，分析正常与盐胁迫叶片转录组，共鉴定 19938、22251个APA事件（覆盖16338/18475个基因），其中19223 个在配对材料中为两种条件共有。盐胁迫显著促进近端加尾位点使用（图1）。3975个转录本APA显著改变，2957个3’UTR缩短，约为加长（1018个）的2.9倍；41.97%（1241/2957）的缩短转录本丢失至少一个miRNA结合位点，606个缩短基因表达显著上调。以OsDREB2A为例，盐胁迫使其3’UTR缩短并失去 miR2100-5p结合位点，双荧光素酶实验证实全长3’UTR抑制表达与翻译，剪短后抑制解除。盐胁迫无须改变编码序列，仅靠3’UTR 缩短即可快速重塑下游基因网络。
图1｜水稻群体盐胁迫APA图谱构建
多聚腺苷酸化由CPSF、CstF等因子复合体执行。盐胁迫显著上调多个加尾因子，其中水稻OsCPSF30尤为突出，敲除OsCPSF30的突变体发育异常，导致植株矮化、叶片狭窄、穗育性降低，转录组中2183个基因3’UTR加长、仅531个缩短，证明OsCPSF30促进近端加尾位点使用，是盐胁迫下3’UTR缩短的关键执行者。为解析APA的遗传基础，作者以反映3’UTR长短的PDUI为分子性状做全基因组关联分析，在正常与盐胁迫下分别定位1634、1809个顺式3’aQTL，并鉴定到大量反式位点及多个调控热点。与富集于启动子/转录起始位点的eQTL不同，3’aQTL显著富集于3’UTR与转录终止位点，证实存在独立于转录调控、作用于基因“下游尾巴”的非编码调控通道，这是植物中首次系统刻画APA数量性状位点（图2）。
图2｜水稻群体盐胁迫3’aQTL遗传调控机制解析
为检验3’aQTL功能，作者对两个代表基因做了敲除与3’UTR大片段敲除的遗传验证。OsMyb21是3’aQTL与eQTL共定位的功能基因，敲除后植株盐敏感、存活率下降、Na⁺/K⁺稳态紊乱，而敲除其3’UTR（模拟短3’UTR）则表达上调、耐盐增强；相反，OsRNS3是仅有3’aQTL、无eQTL的功能基因，编码T2家族核糖核酸酶，其lead SNP恰位于3’UTR并与 miR2905结合位点重叠，敲除后耐盐增强、地上部Na⁺/K⁺降低，敲除其3’UTR反而盐敏感。两个基因一正一负、互为印证，表明APA介导的3’UTR重塑如同分子开关，精确调控水稻耐盐表现。
综上，该研究构建了植物中首个群体水平APA动态图谱与3’aQTL遗传图谱，把 APA从个别基因改变3’UTR的机制观察提升为可遗传、可定位、可选择的群体资源，为解读非编码区耐盐变异提供新框架。3’aQTL这类可直接选择的非编码变异，有望结合分子标记辅助选择，加速耐盐水稻品种选育。
江西农业大学青年教授施传琳、江西科技师范大学青年教师邹文莉以及中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究生崔燕、博士后王璋强和研究生杨龙波为共同第一作者，崖州湾国家实验室/中国水稻研究所钱前院士、中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员商连光、副研究员魏华和贺慧英为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金基础科学中心、国家重点研发计划和国家自然科学基金青年B类的资助。
施传琳团队简介：
施传琳，青年教授，副研究员，江西省“赣鄱英才计划”创新领军人才，主要研究领域为水稻/野生稻群体重要农艺性状功能基因挖掘以及两系杂交稻雄性不育机制研究。迄今发表SCI论文28篇，其中以第一（含共同）或通讯作者发表论文11篇（中科院1区7篇，影响因子>10论文5篇），发表在Nature Plants、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist、Plant Physiology、Plant Communications、Plant Journal、Rice Sciecne等国际植物学权威期刊上。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、地区项目多项以及江西省自然科学基金青年A类（原杰青）项目、中国博士后科学基金项目多项；入选江西省“赣鄱英才计划”创新领军人才，获中国农科院“优农计划”人才资助、深圳市“鹏城孔雀计划”特聘岗位人才资助及深圳市博士后留深科研资助等；参与国家自然科学基金面上项目和重点项目各1项。获发明专利2项和计算机软件著作权1项。个人网页：
https://nongxue.jxau.edu.cn/info/1032/34029.htm
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.70399
热门跟贴