中國熱科院闕友雄/吳期濱團隊揭示長鏈非編碼RNA與靶基因協(xié)同調(diào)控甘蔗黑穗病抗性的機制

近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/熱帶作物生物育種全國重點實驗室闕友雄和吳期濱團隊在Plant Cell Reports在線發(fā)表了題為

LncRNAs co?expressed with targeted genes to regulate sugarcane response to Sporisorium scitamineum infection

由病原真菌 Sporisorium scitamineum 引起的甘蔗黑穗病是威脅全球甘蔗產(chǎn)業(yè)的頭號病害之一，常造成產(chǎn)量減少和品質(zhì)下降。面對這一“甜蜜事業(yè)”的勁敵，科學(xué)家們正深入探索植物內(nèi)在的防御密碼。LncRNAs是一類長度超過200個核苷酸、不編碼蛋白質(zhì)（可編碼多肽）的RNA分子。它們在動植物生長發(fā)育、逆境響應(yīng)等生命過程中扮演著關(guān)鍵的調(diào)控角色，堪稱基因表達(dá)的“幕后指揮家”。然而，在甘蔗與黑穗病菌這場曠日持久的攻防戰(zhàn)中，LncRNAs的具體作用和作戰(zhàn)方案一直是個未解之謎。

為破解這一謎題，研究團隊深入分析了甘蔗在遭受黑穗病菌侵襲后的基因表達(dá)圖譜。成功鑒定出 13,861個 甘蔗LncRNAs，繪制了全面的甘蔗LncRNAs圖譜。應(yīng)用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）和順式作用靶標(biāo)解析技術(shù)，研究精準(zhǔn)鎖定了其中 311個核心LncRNAs。這些LncRNAs并非單打獨斗，它們與 250個關(guān)鍵靶基因 形成了緊密的“共表達(dá)搭檔”關(guān)系，顯示出協(xié)同調(diào)控甘蔗抗病響應(yīng)的強烈信號。

圖1甘蔗受黑穗病侵染后眾多轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受到LncRNAs的調(diào)控

進一步，研究揭示了一個更為復(fù)雜的“指揮-執(zhí)行”網(wǎng)絡(luò)：531個LncRNAs 與 365個核心轉(zhuǎn)錄因子存在顯著的相互作用（圖1）。轉(zhuǎn)錄因子是直接調(diào)控下游基因表達(dá)的“分子開關(guān)”，而LncRNAs則通過與這些“開關(guān)”對話，間接指揮著龐大的抗病基因庫。尤其值得注意的是，研究篩選出 的29個核心轉(zhuǎn)錄因子，極有可能是LncRNAs調(diào)控甘蔗抗黑穗病反應(yīng)的關(guān)鍵樞紐。而由LncRNAs及其靶基因組成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，具體執(zhí)行哪些作戰(zhàn)任務(wù)？我們發(fā)現(xiàn)，它們主要活躍于黃酮-黃烷酮生物合成、次生代謝過程以及植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)三大關(guān)鍵戰(zhàn)場。黃酮類物質(zhì)是著名的抗氧化劑和抗菌化合物，構(gòu)成重要的化學(xué)防御屏障；次生代謝是植物合成抗毒素等防御武器的工廠；而激素信號（如茉莉酸、水楊酸通路）則協(xié)調(diào)著防御反應(yīng)的啟動、放大與適時關(guān)閉。這充分表明，LncRNAs通過精準(zhǔn)指揮這些核心通路，在提升甘蔗抗氧化能力、平衡抗病與生長發(fā)育以及整合應(yīng)激響應(yīng)中發(fā)揮著“四兩撥千斤”的核心作用。以上研究，首次系統(tǒng)解析了甘蔗響應(yīng)黑穗病菌侵染過程中，LncRNAs及其共表達(dá)基因構(gòu)成的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（圖2），這張龐大的“分子作戰(zhàn)地圖”具有雙重價值：一方面，它極大深化了我們對甘蔗抗病分子機制，特別是LncRNAs這一新興調(diào)控層功能的理解；另一方面，篩選出的核心LncRNAs、靶基因以及核心轉(zhuǎn)錄因子為甘蔗受到黑穗病侵染后的免疫調(diào)控機制提供參考。

圖2甘蔗受黑穗病侵染后的LncRNAs協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖示

熱帶作物生物育種全國重點實驗/中國熱科院生物所/三亞研究院青年骨干趙婉瑩博士為該研究論文的第一作者。中國熱科院甘蔗研究中心主任/熱帶作物生物育種全國重點實驗室/中國熱科院生物所/三亞研究院闕友雄研究員和吳期濱副研究員為該論文的共同通訊作者。福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院已畢業(yè)碩士研究生趙振南、中國熱科院生物所青年骨干王東姣和張媛媛博士、科研助理林佩霞和張子豪參與了本研究工作。本研究得到了中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團隊、廣西科技重大專項、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研項目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項、國家重點研發(fā)計劃以及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費等項目的聯(lián)合資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s00299-025-03555-1