【Trends in Plant Science】福建农林大学郭子龙课题组发表综述文章：植物uORF自然变异

近期，福建农林大学郭子龙课题组受邀在植物学领域国际著名期刊Trends in Plant Science发表了Natural uORF Variation in Plants的长篇综述文章。该综述分为5个部分，系统总结了植物uORF及其自然变异的研究现状，并详细展望了未来的发展方向。

植物中蕴含着着丰富的自然变异，发掘这些变异不仅对理解重要性状的遗传结构和进化具有重要的意义，同时为植物育种提供重要的遗传资源。目前我们在寻找候选基因和关键变异位点时通常优先关注编码区序列变异和基因转录水平的变异（通常由启动子变异引起）。然而，非翻译区（UTR）也存在大量的遗传定位信号，这些区域与基因的翻译效率或mRNA稳定性密切相关。同时，已有数据显示基因转录水平并不总是与蛋白丰度或翻译总量相关，并且在植物中发现了通过翻译水平调控基因表达的经典案例。因此，UTR序列变异导致的基因翻译水平或转录后水平的差异，是表型多样性不可忽视的一种重要遗传机制。

uORF (upstream open reading frame, 上游开放阅读框)是存在于5’UTR一段短的开放阅读框，其广泛分布于植物基因组上（植物中18~57%的基因含有uORF）。uORF主要是通过抑制下游基因的翻译或引起mRNA降解（NMD, nonsense-mediated mRNA decay）从而降低基因的表达；有少量报道显示，uORF也可以通过其编码的小肽行使生物学功能。此外，uORF可以影响下游多个重叠的开放阅读框的选择性翻译（图1）。除了具有翻译抑制活性，近些年发现了一些可以促进基因翻译的enhancer uORF，但是具体机制还不清楚，该综述列出了四种可能的工作机制（图2）。uORF的调控活性既取决于自身的序列特征，也受到生长发育时期、细胞组织等环境的影响；该综述系统总结了影响uORF活性的序列特征（图1）和uORF响应环境变化的工作机制（图3）。目前，uORF在调控植物代谢、发育、抗病、营养吸收等方面发挥重要的作用，并且已经有利用和编辑uORF改良植物性状的成功案例。

图1 uORF类型及其重要的序列特征

图2 enhancer uORF可能的工作机制

图3 uORF响应环境变化的工作机制

尽管uORF在调控植物性状方面扮演着重要的角色，但是其自然变异及其对表型变异的贡献还鲜有报道。直到2020年，人们开始关注到植物中存在uORF自然变异，尤其2022年发表的3篇经典的uORF遗传学工作为植物uORF自然变异导致表型变异这一假设提供了充分的证据。该综述详细阐述了植物uORF自然变异的6个经典案例，这些案例涉及到拟南芥、大豆、玉米、大麦、猴面花5个物种，涉及到营养吸收、种子大小、花色3类性状（图4）。基于上述案例并结合已有的植物uORF数据库和人类uORF自然变异的研究结果，该综述整理出uORF重要的变异类型，这些变异类型可以分为三大类：uORF出现/缺失、uORF类型转换、uORF序列特征的改变。尽管其中很多变异类型还没有在植物中得到验证，但是这些信息将会为接下来寻找候选基因和鉴定关键的基因变异位点提供重要的线索。

图4 植物uORF自然变异及其对表型变异的贡献

目前，uORF进化方面的研究主要在人类和动物中开展，其研究结果对于植物研究具有重要的参考价值。uORF进化过程中，大部分新形成的uORF会受到清除选择（purifying selection），但是仍有一部分uORF会受到正向选择（positive selection）。最终保留下来的uORF具有较强的保守性，尤其在uORF起始密码子处；人类中产生或破坏uORF起始密码子的变异均会受到强烈的清除选择，并且通常与疾病相关联。然而uORF编码区的保守水平较低，这与uORF主要通过顺式调控基因表达而非其编码的小肽行使功能的结论是吻合的。尽管没有得到证实，但是有理由相信植物uORF变异在环境适应性、驯化和育种过程中扮演重要角色。

最后，该综述从非典型uORF (起始密码子不是AUG的uORF)鉴定、单细胞Ribo-seq技术和Ribo-seq数据的整合、泛基因组（pan-genome和super-pangenome）、uORF变异注释工具、基于翻译组和表型组的遗传作图、植物uORF变异综合数据库的构建和基于基因编辑技术的uORF设计等方面对未来的研究方向进行了展望（图5）。其中，uORF自然变异的研究将会为uORF设计提供重要的先验知识，uORF设计会创制出自然界可能不存在的uORF变异，扩展了对uORF自然变异的认识，两者相互促进。此外，通过uORF设计可以定制性状的表型水平，有效解决育种过程中性状间的拮抗问题，助力复杂性状的精准育种。在uORF设计育种方面，中科院高彩霞团队取得了一系列的突破性进展。

图5 未来研究方向的展望

总之，在解码自然变异的过程中，uORF变异是不可忽视的。鉴定有功能的uORF及其关键的序列特征、发掘uORF自然变异、设计uORF新变异，三者之间是相互促进、相互依赖的关系。尽管目前还存在很多未解决的问题，比如如何高效鉴定有功能的非典型uORF，uORF变异是否参与植物的驯化和育种过程等，但是随着uORF受到越来越多遗传学家和育种家的关注，基于uORF的育种时代很快会到来。

该综述通讯作者郭子龙博士，长期从事作物抗逆自然变异的发掘和利用。近五年，以唯一通讯或第一作者（排名第一）在Trends in Plant Science、Nature Communications、Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal发表多篇论文，多项代表性成果得到Faculty Opinions/F1000 Prime、《中国科学报》的重点推荐和报道，被Nature Reviews Genetics、Nature Communications、Molecular Plant选为亮点研究(Research Highlights)和特色论文(Featured Articles)。

论文链接：

https://authors.elsevier.com/sd/article/S1360-1385(23)00236-4

转自：“iPlants”微信公众号

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