首页 > 分享 > 张晓明团队揭示lncRNA调控植物生长和免疫平衡的机制

张晓明团队揭示lncRNA调控植物生长和免疫平衡的机制

花匠小妙招
2024-11-09 02:07

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

2022年7月30日，中国科学院动物研究所张晓明研究员、陈金峰研究员团队与北京大学钱伟强团队合作，在Cell Press细胞出版社期刊Cell Host & Microbe上发表了一篇题为“A lncRNA fine-tunes salicylic acid biosynthesis to balance plant immunity and growth”的新论文。

该研究的发现解析了长链非编码RNA对植物生长免疫平衡的调控作用，初步阐释了长链非编码RNA在早期和后期抗性反应过程中的桥梁功能，并解析了低表达长链非编码RNA高效调控生命活动的分子机制。

为应对不同的生物胁迫，植物进化出复杂强大的免疫系统。植物免疫系统的持续激活会阻碍植物的生长发育，因而需要协调免疫与生长发育的平衡。在高等生物中接近1.5-3%的序列编码蛋白，而90%左右的序列编码并转录长链非编码RNA。非编码RNA不编码蛋白，可以在各种生命活动中快速激活，调控不同生命功能。目前对长链非编码RNA调控植物免疫、生长及二者协调平衡的机制仍不清楚。本研究对lncRNA在植物抗性过程中功能研究发现，lncRNA可以精细调节植物生长和免疫平衡（非lncRNA调控植物生长与抗性平衡示意图）。

研究聚焦于lncRNA在生长和抗性反应平衡中的调控机制，结果发现部分长链非编码RNA快速响应生物胁迫，可能参与抗性反应。深入研究发现长链非编码RNA SABC1（Salicylic acid biogenesis controller 1，水杨酸合成控制因子1）在调控植物免疫和生长平衡中发挥重要功能。在病原未侵染的情况下，lncRNA SABC1与CLF结合并将CLF/PRC2复合物募集到临近基因——NAC3 区域，增加NAC3的H3K27me3组蛋白修饰。这种组蛋白修饰降低了RNA聚合酶Pol II与 NAC3启动子的结合，抑制NAC3的表达，从而抑制植物免疫并促进植物生长。细菌或病毒侵染后降低lncRNA SABC1的积累，从而释放了其对NAC3的抑制，激活NAC3基因表达并增加NAC3蛋白积累。NAC3蛋白与ICS1启动子结合，激活ICS1基因表达。ICS1是催化水杨酸生物合成的核心酶，细菌和病毒侵染后lncRNA SABC1积累的降低，最终导致水杨酸合成的增加和植物抗性信号通路的激活（模式示意图）。

图 lncRNA SABC1调节植物免疫与生长平衡的模式图

该研究的发现解析了长链非编码RNA对植物生长免疫平衡的调控作用，初步阐释了长链非编码RNA在早期和后期抗性反应过程中的桥梁功能，并解析了低表达长链非编码RNA高效调控生命活动的分子机制。研究结果将有助于提高对植物免疫调节以及lncRNA分子调控机制的理解，并为开发新的作物抗性位点和减轻病原对作物的危害提供理论依据。北京大学高歌研究员和康涅狄格大学生态进化系袁耀武教授等参与了研究。本研究得到了科技部重大专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等多个国家级和省部级基金项目的资助。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请张晓明研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

请问lncRNA SABC1在植物免疫和生长中发挥怎样的功能？

张晓明研究员：

lncRNA SABC1精细调节植物免疫和生长之间的平衡。在未受病原侵染的健康植物中，SABC1通过抑制其临近基因NAC3的转录和水杨酸生物合成来抑制植物免疫反应促进植物生长。在细菌和病毒侵染后SABC1的积累减少，NAC3的转录提高激活水杨酸生物合成和增强植物免疫反应。

CellPress：

请问SABC1是怎样抑制NAC3转录的？

张晓明研究员：

SABC1通过招募多梳蛋白复合体PRC2，在染色体环状结构的协助下，增加NAC3基因上的H3K27me3组蛋白修饰，降低RNA聚合酶PolII与NAC3启动子结合，从而降低NAC3的转录。

CellPress：

请问SABC1在水杨酸（SA）生物合成关键酶ICS1的表达过程中发挥怎样的作用？

张晓明研究员：

SABC1负调控转录因子NAC3的表达，NAC3与ICS1启动子结合并激活其表达。因而SABC1通过抑制NAC3的转录来抑制ICS1的表达。

CellPress：

请问病原体感染后植物是怎样通过SABC1来调控免疫反应的？

张晓明研究员：

在病原感染后SABC1的积累降低，从而释放了其对转录因子NAC3的抑制，激活抗性基因转录和水杨酸合成等后期抗性反应。进一步对早期免疫反应进行初步研究发现，不编码蛋白的lncRNASABC1等非编码RNA，通过响应化学信号等介导的早期快速抗性反应，激活蛋白表达等后期抗性反应，高效衔接植物早期和后期抗性反应，激活植物对病原的免疫。

CellPress：

本研究发现lncRNA SABC1是平衡植物的免疫和生长的分子开关，请问您下一步的研究重点是什么？

张晓明研究员：

植物长链非编码RNA数量庞大，在植物抗性和生长过程中发挥重要功能，鉴于其低表达、不保守和组织特异等特性，我们对其功能和作用机制知之甚少。后期我们将在水稻等主粮作物内对抗性相关长链非编码RNA进行深入系统研究，解析其功能和作用机制并加以应用，从新的角度增强作物抗性。

作者介绍

张晓明

研究员

张晓明，中国科学院动物研究所研究员，博士生导师。主要从事作物对病虫害抗性机制和防控研究，阐释了非编码RNA调控生长抗性平衡和衔接早后期免疫反应的机理，解析了无膜细胞器动态平衡介导的病毒宿主互作机制。相关研究结果在Cell Host & Microbe和Science Advances等发表，总引用2000余次。担任中国昆虫学会媒介昆虫与病原互作专委会副主任、昆虫比较免疫与互作专业委员会委员，中国植物病理学会病毒专业委员会委员；基金委“优秀青年项目”、国家引才计划青年项目、中国科学院引才计划终期评估优秀获得者；先后主持参与科技部国家重点研发计划子课题、基金委重大研究计划培育项目、农业部转基因生物新品种培育重大专项子课题和中国科学院先进导向性计划子课题等项目。