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研究揭示环状RNA在非生物胁迫应答中的功能
来源:BioArt植物 发布时间:2019-03-14

玉米是世界上主要的粮食作物与科学研究的模式植物,而日益严峻的全球气候变暖对其生长发育、产量形成都是一个不容忽视的威胁。研究玉米应对干旱胁迫的分子机制、挖掘抗旱分子标记,对加快玉米抗旱新品种培育意义重大。环状RNA (circular RNA, circRNA) 是一类呈闭合环状结构、不易被 RNA 外切酶降解的非编码RNA,在发现之初仅被看作转录的“垃圾”和“噪音”,直到近年才被发现与人类疾病的发生息息相关,逐渐成为了动物研究领域的热点和重点。相比动物,植物 circRNA 的研究要滞后得多,已有的研究多是通过测序和生信分析鉴定 circRNA 在植物发育过程或者逆境胁迫中的种类或者特征,进行到功能研究的极少,尤其是 circRNA 是否直接参与包括抗旱在内的非生物胁迫应答,迄今未见报道。

近日,The Plant Journal 杂志在线刊发了华中农业大学代明球教授课题组题为 A large-scale circular RNA profiling reveals universal molecular mechanisms responsive to drought stress in maize and Arabidopsis 的研究论文。该研究通过大规模测序和转基因的方法揭示了circRNA在玉米和拟南芥应对环境干旱胁迫中扮演的重要作用,为作物的抗旱遗传改良提供了新的思路与理论基础,为玉米抗旱育种提供了潜在的新型分子标记。

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在该研究中,研究人员通过对不同干旱程度的玉米及拟南芥苗期叶片进行 circRNA 及转录组测序,分别检测到了2174和1354个高可信度的 circRNA,其中大部分在干旱处理前后存在表达量差异,表明在植物中存在大量与干旱胁迫应答相关的circRNA,后续的PCR及荧光定量PCR结果也证实了这一结论。此外,在玉米和拟南芥所产生circRNA的宿主基因 (host gene) 中,同源基因达到40%,涉及多种保守的信号通路,表明circRNA调控植物抗旱在不同物种中既有保守性也存在物种差异性。同时,研究人员还发现玉米中 circRNA 的产生与 sRNA 的富集呈显著负相关,推断植物 circRNA 可能也存在分子海绵作用,通过调控 sRNA 在植物体内的含量进而调控靶基因的表达。在368份玉米自交系中,circRNA 宿主基因中存在大量与 circRNA 表达和干旱胁迫响应显著关联的 SNP/InDel 位点,从遗传学上给出了 circRNA 参与植物抗旱胁迫应答的证据,相关的SNP/InDel 可作为玉米抗旱选育潜在的新型分子标记。为进一步验证circRNA的功能,研究人员在拟南芥中超量表达了 circGORK (guard cell outward-rectifying K -channel),发现转基因家系的种子萌发对 ABA 超敏感,且植株表现出更加耐旱的表型,表明circGORK是拟南芥干旱胁迫应答正调控因子,为 circRNA 直接调控干旱胁迫应答提供了有力证据。

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Overexpression of circGORK enhanced plant drought tolerance

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室的博士生张佩、硕士范渊和博士生孙霄鹏为该论文的第一作者,代明球教授为该论文的通讯作者。华中农业大学的李林教授、美国Wilkes University的William Terzaghi教授、法国Université d'Angers的Etienne Bucher教授也参与了这项工作。该研究受到科技部支撑计划  (2015BAD02B01)、十三五国家重点研发计划 (2016YFD0100600)、作物遗传改良国家重点实验室自主创新计划 (ZW13A0401) 和千人计划的资助。


原文链接:
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14267


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