水稻基因組「垃圾DNA」的真相
水稻馴化過程中長鏈非編碼RNA進化模型 農科院作科所供圖
來源：中國科學報
對於動植物的DNA來說，僅有不到5%能夠翻譯成蛋白質，進行生命活動。而大部分DNA轉錄成RNA之後，便不再繼續翻譯，這些非編碼RNA一度被認為是轉錄中的「噪音」「暗物質」， 甚至有人認為這是「垃圾DNA」。
近十年來，隨著探索未知的技術的進步，這些所謂「垃圾DNA」的重要性才開始為人們所了解。
近日，來自中國農業科學院作物科學研究所（以下簡稱農科院作科所），水稻優異種質資源發掘與創新利用團隊等研究人員利用全基因組分析的手段，對水稻及其近緣野生種基因組中的「垃圾DNA」進行注釋。結果發現，有些被稱做「垃圾DNA」的變異與水稻澱粉含量、籽粒大小等重要農藝性狀的多樣性相關。其研究結果發表在《科學進展》上。
「垃圾DNA」絕非垃圾
分子生物學的中心法則描述了遺傳信息的傳遞方向，即DNA轉錄產生mRNA，mRNA利用所攜帶的遺傳信息指導蛋白質的合成。中心法則認為，蛋白質是生命活動的主要承擔者。
隨著大量生物全基因組測序的完成，科學家們發現絕大多數生物基因組中90%以上的DNA不編碼任何蛋白質，於是將其劃入了垃圾行列。
後來科學家又發現，人類編碼蛋白的基因數量跟蠕蟲的幾乎相同，所以僅靠編碼區的DNA差異，沒法解釋人與其他生物的差異。
而所謂的「垃圾DNA」才是唯一隨著生物複雜性增加而數量增加的基因組區域。同時，科學家發現，「垃圾DNA」對人體的影響作用滲透到了遺傳調控網路中的方方面面，從罕見的遺傳疾病到唐氏綜合征，從常見的病毒感染到衰老過程等，都與其脫離不了干係。對這些非編碼DNA的研究，宣示著新一輪基因功能研究革新時代的到來。
該論文第一作者、農科院作物所副研究員鄭曉明介紹，非編碼DNA對動物體的影響作用研究已有很多，但大家對其在植物中發揮的作用知之甚少。
「在水稻基因組中，目前已克隆的影響水稻形態性狀的基因位點大概有3000多個，99%以上的基因位點都是蛋白質編碼區。但是，藉助於全基因組關聯分析技術，我們發現，跟水稻形態、性狀的多樣性相關的變異大部分集中在非編碼區。」鄭曉明告訴《中國科學報》。
「儘管科學家們對作物馴化進行了近20年的基因組學研究，但我們對大多數作物在馴化過程中發生形態性狀改變的遺傳基礎卻不了解。」該論文另一作者、美國華盛頓大學聖路易斯教授Kenneth M.Olsen說。
神通廣大的非編碼DNA
基於非編碼DNA區域在組織中表達量低、保守性差，用於探索其功能的手段比較落後等原因，對其研究一直落後於對編碼區DNA的研究。
「隨著基因組測序技術的發展，我們可以利用去核糖體RNA測序的方法，更精確、廣泛得到組織中表達的DNA區域。」鄭曉明說，「從野生稻到現在食用的水稻，僅經過了一萬多年的人工馴化、改良，其株型、穗型、粒型以及種皮顏色等都發生了巨大的變化。在此過程中，累積的突變、重組次數少，所以噪音小，水稻及其近緣野生種是適合進行非編碼DNA的研究體系。」
她所在的團隊致力於水稻及其近緣野生種的種質資源收集和研究工作，一直以來，積累了豐富的水稻及其近緣野生種的研究材料。
他們首先對水稻及其近緣野生種進行了全鏈特異性轉錄組測序，鑒定了3363個長鏈非編碼RNA。結合多組學深入分析表明，下調的長鏈非編碼RNA受到人工選擇，並與碳固定和碳水化合物代謝相關。
研究人員又進一步利用轉基因實驗和群體遺傳分析證實，長鏈非編碼RNA表達水平的差異直接導致了水稻馴化過程中多個籽粒性狀的變異。
性狀變異研究的新思路
「這項研究首次從全基因組水平對水稻及其祖先種的長鏈非編碼RNA結構、表達模式、分子機制和進化歷史進行深入研究，揭示了長鏈非編碼RNA調控水稻重要農藝性狀變異的分子機制，為水稻農藝性狀變異研究提供了新思路，可為水稻全基因組設計育種提供路線圖，對水稻遺傳改良具有重要的指導意義。」該論文通訊作者、農科院作科所研究員楊慶文說。
張學勇是作科所小麥基因資源課題組研究員，他認為，鄭曉明等人發現了長鏈非編碼RNA對於水稻生長全過程的調控作用，這具有很強的創新性。
「這給今後人為控制DNA轉錄量，進而改變性狀提供了一種可能性。比如，對於患有糖尿病、尿毒症等疾病的人來說，如果能降低水稻中的澱粉含量，就不必禁食大米。」張學勇說，「同時，這項研究也給做其他穀物研究的人提供了一個新視角。既然在水稻中有這樣的調控系統，那在小麥、玉米、高粱等作物中，會不會也存在呢？這需要進一步的研究。」
