植物體內(nèi)存在一類特殊的移動(dòng)RNA，它們能以“非細(xì)胞自主信號(hào)分子”的身份在不同組織間轉(zhuǎn)運(yùn)。磷是植物生長(zhǎng)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(huì)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量可長(zhǎng)距離移動(dòng)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(zhǎng)距離移動(dòng)的調(diào)控機(jī)制，為上述科學(xué)問題提供了答案。

研究團(tuán)隊(duì)采用“異源嫁接體系+不同磷濃度處理”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合SNP分子標(biāo)記與高通量數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)擬南芥體內(nèi)的長(zhǎng)距離移動(dòng)RNA進(jìn)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(zhǎng)距離移動(dòng)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(dòng)RNA。值得注意的是，這些RNA的移動(dòng)受缺磷脅迫響應(yīng)，但自身表達(dá)水平并不受缺磷脅迫變化。這表明其移動(dòng)能力并非由表達(dá)量變化驅(qū)動(dòng)，而是存在特定的調(diào)控機(jī)制。進(jìn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，缺磷信號(hào)中心轉(zhuǎn)錄因子PHR家族是調(diào)控這些缺磷特異移動(dòng)信使RNA的“關(guān)鍵開關(guān)”。但有趣的是，PHRs并不參與這些移動(dòng)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(hào)，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(jìn)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(yàn)證發(fā)現(xiàn)，PHR調(diào)控的缺磷特異響應(yīng)移動(dòng)信使RNA在“供體組織”中具備正常翻譯能力，但當(dāng)他們長(zhǎng)距離移動(dòng)至“受體組織”后，翻譯能力喪失。這一發(fā)現(xiàn)揭示，這類移動(dòng)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(duì)這類移動(dòng)信使RNA的RNA結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析。生信模擬與體內(nèi)RNA結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)（DMS-MaPseq）發(fā)現(xiàn)，與非移動(dòng)RNA、通用移動(dòng)RNA及缺氮移動(dòng)RNA相比，PHR調(diào)控的缺磷特異響應(yīng)移動(dòng)信使RNA的5’非編碼區(qū)具有“單鏈化程度更高”的獨(dú)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(yàn)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(zhǎng)距離移動(dòng)信使RNA的組成特征、調(diào)控機(jī)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(zhǎng)距離移動(dòng)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(jìn)一步探索這類移動(dòng)RNA的具體作用與調(diào)控機(jī)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(zhǎng)距離移動(dòng)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(guó)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(tuán)隊(duì)在移動(dòng)信使RNA生信分析方面提供了關(guān)鍵支持。中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省杰出青年基金和國(guó)家高層次引進(jìn)人才項(xiàng)目等資助。