【儀表網 儀表研發】低溫脅迫是限制植物分布的主要環境因素之一，感知低溫信號是植物適應寒冷環境的基礎。植物在低溫中呈現出生長減緩、開花延遲等表型以適應低溫環境。鑒定植物的冷感受器是解析植物低溫感知分子機制的關鍵。
 

　　10月20日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心/CAS-JIC植物和微生物科學聯合研究中心研究員楊小飛研究組、東北師范大學教授張鏵坤研究組，以及英國約翰英納斯中心(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構變化決定生物大分子發揮細胞溫度計的功能，如蛋白質、核糖核酸等。為尋找與溫度感知有關的RNA結構域特征，科研團隊對1000種植物轉錄組項目(1KP)的RNA序列開展研究。該研究對其中的906種陸生植物與環境因素的相關性分析表明，生長在低溫地區的植物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)結構，耐寒植物中具有更多的RG4結構，暗示富含G-rich序列與植物的耐寒性有關。
 

　　為探究RG4折疊與冷響應間的關系，科研人員對模式植物擬南芥進行低溫處理，并利用此前開發的RG4檢測方法SHALiPE-seq對體內RG4折疊進行定量檢測。結果表明，低溫處理顯著誘導植物體內RG4結構的折疊，證明植物RG4具有感知低溫的能力。研究系統分析了擬南芥的mRNA降解組數據，發現包含有冷誘導RG4的mRNA降解速率明顯降低，暗示RG4或抑制了mRNA的降解。為驗證RG4結構在mRNA降解中的作用，科研團隊挑選了一個受低溫顯著誘導的RG4基因，命名為CORG1。通過堿基替換將G突變為A，可將包含RG4結構的野生型wtRG4-CORG1突變為不能形成RG4結構mutRG4-CORG1基因。進一步研究發現，mutRG4-CORG1在冷脅迫中的降解速率顯著高于wtRG4-CORG1的降解速率，證明低溫誘導的RG4結構形成抑制mRNA的降解。同時，低溫對mutRG4-CORG1的轉基因植物的生長抑制也明顯弱于wtRG4-CORG1的擬南芥，表明RG4結構突變降低植物對低溫響應的敏感性。
 

　　綜上所述，冷處理誘導植物mRNA的RG4折疊，進一步選擇性抑制mRNA的降解從而減緩植物在低溫環境下的生長速度。轉錄組中RG4結構的選擇性富集幫助陸生植物感知低溫信號，促進植物對寒冷環境的適應性進化。該研究迄今為止首次發現RG4結構抑制mRNA的降解，闡明了RG4結構的全新分子調節功能，且RG4結構是植物中發現的第一個RNA低溫感受器。美國哈佛大學和耶魯大學研究人員對動物細胞的同期研究工作表明，多種脅迫因素(如低溫、饑餓)促進3’UTR的RNA結構折疊，并提高mRNA的穩定性(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.03.03.482884v1)。這些研究暗示環境依賴的RNA結構折疊作為脅迫感受器，在自然界廣泛存在。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金、英國生物技術與生物科學研究委員會基金和歐洲研究委員會基金等的支持。
 

耐寒植物中的RG4富集提高了植物對寒冷環境的感知能力