【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】低溫脅迫是限制植物分布的主要環(huán)境因素之一，感知低溫信號(hào)是植物適應(yīng)寒冷環(huán)境的基礎(chǔ)。植物在低溫中呈現(xiàn)出生長(zhǎng)減緩、開花延遲等表型以適應(yīng)低溫環(huán)境。鑒定植物的冷感受器是解析植物低溫感知分子機(jī)制的關(guān)鍵。
10月20日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/CAS-JIC植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心研究員楊小飛研究組、東北師范大學(xué)教授張鏵坤研究組，以及英國(guó)約翰英納斯中心(John Innes Centre，JIC) 研究員丁一倞研究組合作，在《自然-通訊》(Nature Communications)上，發(fā)表了題為RNA G-quadruplex structure contributes to cold adaptation in plants的論文。
溫度依賴的大分子結(jié)構(gòu)變化決定生物大分子發(fā)揮細(xì)胞溫度計(jì)的功能，如蛋白質(zhì)、核糖核酸等。為尋找與溫度感知有關(guān)的RNA結(jié)構(gòu)域特征，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)1000種植物轉(zhuǎn)錄組項(xiàng)目(1KP)的RNA序列開展研究。該研究對(duì)其中的906種陸生植物與環(huán)境因素的相關(guān)性分析表明，生長(zhǎng)在低溫地區(qū)的植物RNA中普遍富含鳥嘌呤(Guanine)。鳥嘌呤(G-rich)序列在體外可以折疊為特殊的鳥嘌呤四鏈體(RNA G-quadruplex，RG4)結(jié)構(gòu)，耐寒植物中具有更多的RG4結(jié)構(gòu)，暗示富含G-rich序列與植物的耐寒性有關(guān)。
為探究RG4折疊與冷響應(yīng)間的關(guān)系，科研人員對(duì)模式植物擬南芥進(jìn)行低溫處理，并利用此前開發(fā)的RG4檢測(cè)方法SHALiPE-seq對(duì)體內(nèi)RG4折疊進(jìn)行定量檢測(cè)。結(jié)果表明，低溫處理顯著誘導(dǎo)植物體內(nèi)RG4結(jié)構(gòu)的折疊，證明植物RG4具有感知低溫的能力。研究系統(tǒng)分析了擬南芥的mRNA降解組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)包含有冷誘導(dǎo)RG4的mRNA降解速率明顯降低，暗示RG4或抑制了mRNA的降解。為驗(yàn)證RG4結(jié)構(gòu)在mRNA降解中的作用，科研團(tuán)隊(duì)挑選了一個(gè)受低溫顯著誘導(dǎo)的RG4基因，命名為CORG1。通過堿基替換將G突變?yōu)锳，可將包含RG4結(jié)構(gòu)的野生型wtRG4-CORG1突變?yōu)椴荒苄纬蒖G4結(jié)構(gòu)mutRG4-CORG1基因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，mutRG4-CORG1在冷脅迫中的降解速率顯著高于wtRG4-CORG1的降解速率，證明低溫誘導(dǎo)的RG4結(jié)構(gòu)形成抑制mRNA的降解。同時(shí)，低溫對(duì)mutRG4-CORG1的轉(zhuǎn)基因植物的生長(zhǎng)抑制也明顯弱于wtRG4-CORG1的擬南芥，表明RG4結(jié)構(gòu)突變降低植物對(duì)低溫響應(yīng)的敏感性。
綜上所述，冷處理誘導(dǎo)植物mRNA的RG4折疊，進(jìn)一步選擇性抑制mRNA的降解從而減緩植物在低溫環(huán)境下的生長(zhǎng)速度。轉(zhuǎn)錄組中RG4結(jié)構(gòu)的選擇性富集幫助陸生植物感知低溫信號(hào)，促進(jìn)植物對(duì)寒冷環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化。該研究迄今為止首次發(fā)現(xiàn)RG4結(jié)構(gòu)抑制mRNA的降解，闡明了RG4結(jié)構(gòu)的全新分子調(diào)節(jié)功能，且RG4結(jié)構(gòu)是植物中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)RNA低溫感受器。美國(guó)哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)研究人員對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的同期研究工作表明，多種脅迫因素(如低溫、饑餓)促進(jìn)3’UTR的RNA結(jié)構(gòu)折疊，并提高mRNA的穩(wěn)定性(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.03.482884v1)。這些研究暗示環(huán)境依賴的RNA結(jié)構(gòu)折疊作為脅迫感受器，在自然界廣泛存在。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、英國(guó)生物技術(shù)與生物科學(xué)研究委員會(huì)基金和歐洲研究委員會(huì)基金等的支持。
耐寒植物中的RG4富集提高了植物對(duì)寒冷環(huán)境的感知能力
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