Advanced Science | 浙江大學(xué)王智燁課題組揭示植物缺磷誘導(dǎo)信使RNA長距離移動的調(diào)控機制

植物體內(nèi)存在一類特殊的移動RNA，它們能以“非細(xì)胞自主信號分子”的身份在不同組織間轉(zhuǎn)運。磷是植物生長發(fā)育必需的大量元素，也是制約水稻等作物產(chǎn)量提升的關(guān)鍵因素之一。前期研究發(fā)現(xiàn)，缺磷脅迫會誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量可長距離移動的信使RNA，但這類RNA的組成特征、調(diào)控路徑及功能模式仍有待系統(tǒng)闡明。

近日，浙江大學(xué)王智燁課題組在Advanced Science在線發(fā)表題為PHR-mediated Pi starvation response mobile messenger RNAs represent noncoding transcripts in recipient tissues的研究論文，揭示了植物缺磷誘導(dǎo)信使RNA長距離移動的調(diào)控機制，為上述科學(xué)問題提供了答案。

研究團隊采用“異源嫁接體系+不同磷濃度處理”的實驗設(shè)計，結(jié)合SNP分子標(biāo)記與高通量數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對擬南芥體內(nèi)的長距離移動RNA進行了全面鑒定。結(jié)果顯示，擬南芥地上部與根部之間存在200余種可長距離移動的轉(zhuǎn)錄本，其中大部分為信使RNA，且100余種是缺磷脅迫特異響應(yīng)的移動RNA。值得注意的是，這些RNA的移動受缺磷脅迫響應(yīng)，但自身表達水平并不受缺磷脅迫變化。這表明其移動能力并非由表達量變化驅(qū)動，而是存在特定的調(diào)控機制。進一步研究中，課題組通過phr1phl1雙突變體與野生型的異源嫁接實驗證實，缺磷信號中心轉(zhuǎn)錄因子PHR家族是調(diào)控這些缺磷特異移動信使RNA的“關(guān)鍵開關(guān)”。但有趣的是，PHRs并不參與這些移動轉(zhuǎn)錄本的轉(zhuǎn)錄過程，暗示其可能通過下游缺磷響應(yīng)信號，或以非轉(zhuǎn)錄因子的特殊功能發(fā)揮調(diào)控作用。

在功能解析層面，課題組利用35S:3×FLAG-RPL18轉(zhuǎn)基因材料與野生型進行異源嫁接，并結(jié)合翻譯核糖體親和純化技術(shù)（TRAP）和轉(zhuǎn)基因標(biāo)簽材料嫁接驗證發(fā)現(xiàn)，PHR調(diào)控的缺磷特異響應(yīng)移動信使RNA在“供體組織”中具備正常翻譯能力，但當(dāng)他們長距離移動至“受體組織”后，翻譯能力喪失。這一發(fā)現(xiàn)揭示，這類移動信使RNA在受體組織中可能以“非編碼RNA”的形式發(fā)揮生物學(xué)功能，打破認(rèn)知中信使RNA僅作為“蛋白質(zhì)合成模板”的單一角色。此外，課題組對這類移動信使RNA的RNA結(jié)構(gòu)特征進行了分析。生信模擬與體內(nèi)RNA結(jié)構(gòu)實驗（DMS-MaPseq）發(fā)現(xiàn)，與非移動RNA、通用移動RNA及缺氮移動RNA相比，PHR調(diào)控的缺磷特異響應(yīng)移動信使RNA的5’非編碼區(qū)具有“單鏈化程度更高”的獨特結(jié)構(gòu)特性。

該研究通過異源嫁接、多組學(xué)分析、轉(zhuǎn)基因標(biāo)簽材料驗證與體內(nèi)RNA結(jié)構(gòu)解析相結(jié)合的技術(shù)手段，系統(tǒng)闡明了擬南芥缺磷脅迫響應(yīng)中長距離移動信使RNA的組成特征、調(diào)控機制與功能模式（圖1）。該研究發(fā)現(xiàn)不僅為深入理解植物養(yǎng)分逆境適應(yīng)的分子網(wǎng)絡(luò)提供了新視角，也為長距離移動信使RNA的逆境調(diào)控功能研究提供了全新的研究思路。未來，課題組將進一步探索這類移動RNA的具體作用與調(diào)控機理，為作物養(yǎng)分高效改良提供新的理論依據(jù)與技術(shù)支持。

圖1 缺磷脅迫特異響應(yīng)信使RNA長距離移動的調(diào)控模型

浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王智燁研究員為該論文通訊作者，已出站博士后董偉國和博士生王淑蔓為共同第一作者。此外，浙江大學(xué)沈星星團隊在移動信使RNA生信分析方面提供了關(guān)鍵支持。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院易可可研究員和浙江大學(xué)莫肖蓉教授為研究工作提供了重要支持。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、浙江省杰出青年基金和國家高層次引進人才項目等資助。