清華新聞網(wǎng)6月3日電 冷凍是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要脅迫因素之一。植物在經(jīng)歷微寒溫度后，可對(duì)冰凍溫度產(chǎn)生耐受性，這一適應(yīng)過(guò)程被稱(chēng)為冷馴化。C-重復(fù)結(jié)合因子（C-REPEAT BINDING FACTORs，CBFs），包括CBF1、CBF2和CBF3，是一類(lèi)AP2/ERF家族轉(zhuǎn)錄因子，在植物冷脅迫響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在冷脅迫時(shí)，CBF基因表達(dá)被快速激活，并通過(guò)促進(jìn)一系列受冷調(diào)控（COLD-REGULATED，COR）基因的表達(dá)，增強(qiáng)植物抗凍能力。
北京時(shí)間5月29日，清華大學(xué)生命學(xué)院、植物生物學(xué)研究中心戚益軍教授課題組在《發(fā)育細(xì)胞》（Developmental Cell）發(fā)表題為“一個(gè)反義RNA通過(guò)形成R-環(huán)結(jié)構(gòu)促進(jìn)CBF基因轉(zhuǎn)錄和植物冷馴化”（An antisense RNA forms R-loop to facilitate the transcription of CBF genes and plant cold acclimation）的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)低溫可誘導(dǎo)CBF1和CBF3基因間區(qū)的反義鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生非編碼RNA。該反義RNA被命名為CAS（CBF antisense transcript）。深入探究發(fā)現(xiàn)CAS通過(guò)形成R-環(huán)（R-loop）結(jié)構(gòu)，降低CBF1和CBF3位點(diǎn)上核小體的分布密度，從而促進(jìn)CBF1和CBF3基因的轉(zhuǎn)錄和植物對(duì)冷凍的耐受性（圖1）。
圖1.CAS促進(jìn)CBF1和CBF3基因轉(zhuǎn)錄
戚益軍課題組之前在全基因組范圍內(nèi)鑒定了模式植物擬南芥中的長(zhǎng)非編碼RNA，其中包括大量源自蛋白編碼基因反義鏈的RNA，并發(fā)現(xiàn)反義RNA的表達(dá)通常和與其相對(duì)應(yīng)的正義鏈基因的表達(dá)呈正相關(guān)，暗示反義RNA可能促進(jìn)正義鏈基因的表達(dá)。在最近發(fā)表的研究中，課題組對(duì)冷誘導(dǎo)的反義RNA CAS的作用機(jī)制和生物學(xué)功能進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)植物受低溫（4°C）脅迫三小時(shí)后，CAS的表達(dá)大幅上調(diào)。為了探究CAS在CBF基因表達(dá)調(diào)控中的作用，課題組創(chuàng)制了多個(gè)cas突變體。在這些突變體中，CBF2表達(dá)未受影響，但CBF1和CBF3的表達(dá)均顯著降低，表明CAS正向調(diào)控CBF1和CBF3的表達(dá)。由于CBF1、CBF2和CBF3功能冗余，為了評(píng)估CAS對(duì)植物抗凍能力的影響，課題組構(gòu)建了cas cbf2雙突變體。與cbf1 cbf2 cbf3三突變體類(lèi)似，在cas cbf2中，COR基因激活顯著受損，植物對(duì)冷凍的耐受性下降（圖2）。這些結(jié)果表明，CAS通過(guò)正向調(diào)控CBF1和CBF3的表達(dá)，增強(qiáng)植物抗凍能力。
圖2.CAS增強(qiáng)植物抗凍能力
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，大部分CAS與染色質(zhì)結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控CBF1和CBF3表達(dá)。由于CAS轉(zhuǎn)錄自CBF1和CBF3基因間區(qū)，課題組推測(cè)CAS可能通過(guò)提高附近區(qū)域染色質(zhì)開(kāi)放程度，促進(jìn)兩側(cè)基因轉(zhuǎn)錄。MNase-qPCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫處理前，野生型植物中CBF1和CBF3基因位點(diǎn)處的核小體密度較高，低溫處理后，這些位點(diǎn)處的核小體密度明顯降低。在cas突變體中，低溫誘導(dǎo)的CBF1及CBF3位點(diǎn)核小體密度降低現(xiàn)象受到抑制，表明CAS可促進(jìn)這些基因位點(diǎn)染色質(zhì)的開(kāi)放。
與染色質(zhì)結(jié)合的非編碼RNA可通過(guò)形成R-環(huán)、RNA-DNA三螺旋結(jié)構(gòu)，或與RNA結(jié)合蛋白相結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。對(duì)已發(fā)表的ssDRIP-seq數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，CAS位點(diǎn)存在R-環(huán)信號(hào)。DRIP-qPCR實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CAS與其DNA模板結(jié)合形成了R-環(huán)結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)在低溫處理三小時(shí)后達(dá)到峰值。RNase H可去除R-環(huán)。在RNase H 1A過(guò)表達(dá)植物中，CAS位點(diǎn)的R-環(huán)水平顯著降低，低溫誘導(dǎo)的CBF1和CBF3位點(diǎn)核小體密度不能有效降低，CBF1和CBF3的表達(dá)受到顯著抑制，表明CAS形成的R-環(huán)結(jié)構(gòu)有助于提高染色質(zhì)的開(kāi)放，促進(jìn)CBF1和CBF3基因表達(dá)。
綜上所述，該研究揭示了反義RNA調(diào)控CBF基因表達(dá)的分子機(jī)制及其在植物冷馴化過(guò)程中的重要功能。
戚益軍教授為該論文的通訊作者，生命學(xué)院博士后孫建杭和趙新玥為論文共同第一作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院傅迪毅博士、施怡婷教授、楊淑華教授參與了部分工作。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和新基石基金會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(25)00288-6
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
