水稻(Oryza sativa L.)是全球最重要的粮食作物之一，其幼穗发育阶段是决定籽粒数量和重量的关键时期。然而，这一过程中可变多聚腺苷酸化(APA)的调控机制和遗传模式仍不清楚。

近日，来自江西农业大学的付海辉教授研究团队在Rice期刊（IF=5.0）上发表了题为Alternative polyadenylation and metabolic profiling in young panicle development of hybrid rice and its parents的研究论文，研究利用TAIL Iso-seq和代谢组学技术，分析了杂交水稻品种五丰优T025及其亲本五丰B和昌恢T025幼穗发育过程中的APA动态变化，揭示了APA通过影响3’UTR长度和miRNA结合位点调控与穗发育相关基因的表达，为理解水稻幼穗发育的分子机制提供了新见解，并为高产杂交水稻品种的育种提供了理论基础。

贝纳基因参与了该项目TAIL Iso-seq测序分析工作。

研究结果

1. 不同品种水稻幼穗发育APA全局特征分析

研究选取五丰优T025及其亲本五丰B和昌恢T025水稻品种的幼穗为研究对象，分别进行TAIL Iso-seq和代谢组检测。聚类分析和PCA分析显示不同品种间基因表达模式存在差异。分析不同品种的APA情况，发现近80%的基因含有两个或多个PAC位点，且PAC位点主要分布在3'UTR区域，说明APA在水稻幼穗发育中普遍存在(图2A-B)。分析不同品种的Poly(A)尾长情况，发现杂交种中的Poly(A)尾长度显著长于亲本，且与基因表达水平呈负相关(图2C)。3'UTR长度比较分析显示，与父母本相比，杂交种中既有延长也有缩短的3'UTR；并且当3'UTR显著缩短时，相应基因的表达水平明显升高(图2D-I)，表明3'UTR长度变化在基因表达调控中发挥着关键作用。

图1-2：水稻幼穗发育过程APA全局特征分析

2. APA基因的功能特征与通路分析

GO功能注释显示，与母本相比，杂交种中差异表达的APA基因显著富集于核黄素生物合成、细胞分化等过程(图3A)；而与父本相比，则主要富集在有丝分裂细胞周期、生长素信号通路等过程(图3B)。KEGG通路分析进一步发现，APA基因在昼夜节律调节、维生素B6代谢(图3C)以及脂肪酸代谢、芳香族氨基酸合成等通路中显著富集(图3D)。这些通路可能参与构成调控幼穗发育的分子网络，为能量供应、激素调控和物质合成提供支持。

图3：APA基因的功能特征与通路分析

3. APA调控机制解析

深入分析发现亲本与杂交种间存在大量共有的APA基因(图4A-B)，这些基因主要参与酶和能量代谢相关过程(图4C-D)。对APA核心因子表达分析发现，杂交种中大多数核心因子如CstF50、CPSF30等表达下调(图4E-G)，推测可能影响相关基因的3'UTR长度，RT-qPCR验证(图4G)进一步验证了这一发现。此外，约25%的差异表达APA基因的可变3'UTR中含有miRNA结合位点(图4H)，能够结合包括osa-miR1848和osa-miR5075等已知调控穗发育的miRNA(图4I)，揭示APA可以通过miRNA介导的转录后机制调控基因表达。

图4：APA调控机制解析

4. 不同品种水稻幼穗发育的代谢调控特征

代谢组学分析鉴定出杂交种相对于父本和母本分别有209和164个差异代谢物，其中有90个为共有差异代谢物，主要为有机酸及其衍生物(图5A-C)。KEGG富集分析显示这些代谢物显著富集于氨基酸代谢、TCA循环等通路，其中氨基酸生物合成在代谢途径中占比最大，其直接参与幼穗的形成和生长调控(图5D-F)，以上表明这些代谢变化与APA基因的调控网络相互关联，共同影响幼穗发育过程。

图5：不同品种水稻幼穗发育的代谢调控

研究结论

本研究整合TAIL Iso-seq及代谢组学技术，系统揭示了杂交水稻幼穗发育过程中APA的全局特征及其调控机制。研究发现APA通过改变3'UTR长度影响miRNA结合和基因表达，同时与关键代谢通路的变化密切相关，共同构成了杂种优势形成的分子基础。这些发现不仅丰富了我们对水稻幼穗发育调控网络的理解，也为分子设计育种培育高产优质水稻品种提供了新思路。

参考文献：Wu G, Yu S, Fu J, et al. Alternative polyadenylation and metabolic profiling in young panicle development of hybrid rice and its parents[J]. Rice, 2025, 18(1): 80.