已有报道指出位于5’UTR的uORF 在翻译水平或转录后水平起着精细调控下游基因表达的作用【1】。自然界是否存在uORF的自然变异？以及这种变异是否会导致群体的表型变异？今年3月Edward S. Buckler团队通过数据分析发现了uORF起始密码子处的自然变异会影响下游基因的蛋白丰度【2】。然而迄今没有直接的遗传和分子生物学证据证实uORF的自然变异与表型变异之间的关联。
7月1日，发表在Nature Communications上的一篇题为“A natural uORF variant confers phosphorus acquisition diversity in soybean”的研究论文通过GWAS正向遗传学鉴定到uORF的一个碱基变异（SNP413）导致uORF的提前终止从而改变了uORF的长度，不仅影响了下游基因GmPHF1的蛋白含量还影响了其空间分布，最终导致大豆磷吸收效率的差异。研究者将磷高效等位基因稳定转化到大豆中，提高了大豆的磷吸收效率，显示了该SNP在育种方面的潜力。
进一步发现即使是35S启动子驱动，自然变异导致的uORF缩短或人工破坏掉uORF的起始密码子，下游GmPHF1的翻译量均显著减少，说明该uORF是下游蛋白翻译所需要的，与以往大部分报道不同（认为uORF抑制下游蛋白的翻译），该研究鉴定到的uORF很有可能是一个enhancer uORF【3】。研究者也检索了已公开的3000份大豆重测序数据，均有该uORF的存在，只是长短存在差异（如上所述），暗示该uORF的存在对下游基因翻译的重要性。
该研究同时提示在通过正向遗传学鉴定功能基因的过程中如果只根据启动子或编码区是否存在大效应的序列变异来挑选候选基因，可能会错失真正的功能基因/变异位点。除了植物，近几年在人类中也发现uORF的自然变异与人类疾病存在密切的关联【4】，说明uORF是群体自然变异不可忽视的遗传基础。
福建农林大学郭子龙副教授和在读博士生曹红瑞为本文共同第一作者，廖红和陈志长教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和青年项目的资助。
注：郭子龙博士长期从事作物自然变异的挖掘，尤其在非生物逆境方面。近五年以第一作者在Nature Communications （2022）、Molecular Plant （2018）、Plant Biotechnology Journal （2021）、Journal of Experimental Botany （2019）发表4篇研究论文【5-8】。早在2014年以共同第一作者发表在Nature Communications上的工作率先将作物表型组学应用到自然变异遗传基础的研究中【9】。
References
1. Wu H, Fajiculay E, Wu J, et al. Noise reduction by upstream open reading frames. Nature Plants, 2022: 1-7.
2. Gage J L, Mali S, McLoughlin F, et al. Variation in upstream open reading frames contributes to allelic diversity in maize protein abundance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(14): e2112516119.
3. Lin, Y.Z. et al. Impacts of uORF codon identity and position on translation regulation. Nucleic Acids Res. 47, 9358-9367 (2019).
4. Lee D S M, Park J, Kromer A, et al. Disrupting upstream translation in mRNAs is associated with human disease. Nature communications, 2021, 12(1): 1-14.
5. Guo Z#, Cao H#, Zhao J, et al. A natural uORF variant confers phosphorus acquisition diversity in soybean. Nature communications, 2022, 13(1): 1-14.
6. Guo Z, Yang W, Chang Y, et al. Genome-wide association studies of image traits reveal genetic architecture of drought resistance in rice. Molecular Plant 2018, 11(6):789-805
7. Guo Z#, Liu X#, Zhang B, et al. Genetic analyses of lodging resistance and yield provide insights into post-Green-Revolution breeding in rice. Plant Biotechnology Journal, 2021, 19(4):814-829
8. Wu D#, Guo Z#, Ye J, et al. Combining high-throughput micro-CT-RGB phenotyping and genome-wide association study to dissect the genetic architecture of tiller growth in rice. Journal of Experimental Botany 2019, 70(2):545-561
9. Yang W#, Guo Z#, Huang C#, et al. Combining high-throughput phenotyping and genome-wide association studies to reveal natural genetic variation in rice. Nature communications 2014, 5:5087
转自：植物生物技术Pbj
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