Plant Cell | 王振兴博士等揭示Pol IV影响荠菜花粉发育的分子机制

维持植物CHH（H：A, T 或 C）甲基化水平的RdDM（RNA-dependent DNA methylation）通路需要两种植物所特有的聚合酶——DNA依赖的RNA聚合酶IV和V （Pol IV 和 Pol V）。在经典的RdDM通路中，Pol IV从转座子序列所转录的转录本会被加工成24-nt小RNA以进一步介导CHH的建立。最近的一些研究揭示了花粉中21/22-nt表观激活小RNA（epigenetically activated siRNAs, easiRNAs) 的合成也需要Pol IV。更有意思的是，Pol IV还参与建立了拟南芥三倍体杂交障碍的建立。

拟南芥花粉的形成伴随着CHH甲基化重编程。CHH甲基化水平在减数分裂过程中大量减少，而后在不对称的有丝分裂过程中，在营养细胞和精细胞的特异位点上得到了恢复 。尽管之前的研究暗示了RdDM对于拟南芥减数分裂的可能重要作用，但是在缺失RdDM通路各种重要元件的拟南芥突变体内（Col accession），仅能观察到非常少量的减数分裂异常。缺失RdDM通路的拟南芥突变体也基本没有表现出强烈的发育缺陷表型。造成拟南芥对于RdDM缺失耐受的一种可能解释是，它含有较其他植物而言比较低的重复序列（约占135M基因组的24%）。和这个观点相符的是，番茄 (Solanum lycopersicum) 和油菜（Brassica rapa）基因组中含有比拟南芥更高的转座子序列，缺失Pol IV在他们中分别导致了生殖缺陷和种子形成缺陷，但是相关的机制仍不清楚。

近日，瑞典农业科学大学Claudia Köhler院士团队在The Plant Cell上发表了题为“Polymerase IV Plays a Crucial Role in Pollen Development in Capsella”的研究论文（该团队王振兴博士为论文的第一作者）。该工作以含有更多转座子序列的拟南芥十字花科近亲——荠菜（Capsella rubella，219M基因组中近半为转座子）【14】为研究材料，探讨了Pol IV对于具有不同转座子含量的十字花科植物发育，特别是花粉发育的影响。The Plant Cell期刊配发了题为Pol IV Function is Differentially Essential within the Brassicaceae的评论文章，对该项工作进行了解读。该研究揭示了Pol-IV在植物生殖发育中的作用，为Pol-IV的功能提供了新的见解。该研究极大地扩展了我们对Pol-IV或RdDM相关基因功能的理解。

研究人员首先利用Crispr/Cas9删除了荠菜Pol IV关键亚基基因NRPD1的一段编码序列，得到了突变体。该突变体表现为雄性不育，且突变体的花粉大部分停留在了小孢子期。小RNA测序发现，野生型小孢子中积累了大量依赖于Pol IV 的21-24-nt 小RNA，表明easiRNAs 生成于减数分裂过程中或在减数分裂之后立即开始。进一步研究发现，荠菜和拟南芥小孢子中21/22-nt和24-nt小RNA是从同样的转座子区域产生，表明Pol IV生成的前体是这两个小RNA群体合成所共同需要的。和拟南芥相比，荠菜nrpd1突变体中有更多异常表达基因，其中包括许多已知的具有调控花粉发育功能的基因。

Cr nrpd1 pollen arrest at the microspore stage

综上所述，Pol IV调控荠菜中21-24-nt小RNA的生成，对花粉发育起着重要的作用。同时，该研究结果也说明了研究不同植物模型的必要性。