Advanced Science | 浙江大學王智燁課題組揭示植物缺磷誘導信使RNA長距離移動的調控機制

植物體內存在一類特殊的移動RNA，它們能以“非細胞自主信號分子”的身份在不同組織間轉運。磷是植物生長發育必需的大量元素，也是制約水稻等作物產量提升的關鍵因素之一。前期研究發現，缺磷脅迫會誘導植物產生大量可長距離移動的信使RNA，但這類RNA的組成特征、調控路徑及功能模式仍有待系統闡明。

近日，浙江大學王智燁課題組在Advanced Science在線發表題為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信使RNA長距離移動的調控機制，為上述科學問題提供了答案。

研究團隊采用“異源嫁接體系+不同磷濃度處理”的實驗設計，結合SNP分子標記與高通量數據分析技術，對擬南芥體內的長距離移動RNA進行了全面鑒定。結果顯示，擬南芥地上部與根部之間存在200余種可長距離移動的轉錄本，其中大部分為信使RNA，且100余種是缺磷脅迫特異響應的移動RNA。值得注意的是，這些RNA的移動受缺磷脅迫響應，但自身表達水平并不受缺磷脅迫變化。這表明其移動能力并非由表達量變化驅動，而是存在特定的調控機制。進一步研究中，課題組通過phr1phl1雙突變體與野生型的異源嫁接實驗證實，缺磷信號中心轉錄因子PHR家族是調控這些缺磷特異移動信使RNA的“關鍵開關”。但有趣的是，PHRs并不參與這些移動轉錄本的轉錄過程，暗示其可能通過下游缺磷響應信號，或以非轉錄因子的特殊功能發揮調控作用。

在功能解析層面，課題組利用35S:3×FLAG-RPL18轉基因材料與野生型進行異源嫁接，并結合翻譯核糖體親和純化技術（TRAP）和轉基因標簽材料嫁接驗證發現，PHR調控的缺磷特異響應移動信使RNA在“供體組織”中具備正常翻譯能力，但當他們長距離移動至“受體組織”后，翻譯能力喪失。這一發現揭示，這類移動信使RNA在受體組織中可能以“非編碼RNA”的形式發揮生物學功能，打破認知中信使RNA僅作為“蛋白質合成模板”的單一角色。此外，課題組對這類移動信使RNA的RNA結構特征進行了分析。生信模擬與體內RNA結構實驗（DMS-MaPseq）發現，與非移動RNA、通用移動RNA及缺氮移動RNA相比，PHR調控的缺磷特異響應移動信使RNA的5’非編碼區具有“單鏈化程度更高”的獨特結構特性。

該研究通過異源嫁接、多組學分析、轉基因標簽材料驗證與體內RNA結構解析相結合的技術手段，系統闡明了擬南芥缺磷脅迫響應中長距離移動信使RNA的組成特征、調控機制與功能模式（圖1）。該研究發現不僅為深入理解植物養分逆境適應的分子網絡提供了新視角，也為長距離移動信使RNA的逆境調控功能研究提供了全新的研究思路。未來，課題組將進一步探索這類移動RNA的具體作用與調控機理，為作物養分高效改良提供新的理論依據與技術支持。

圖1 缺磷脅迫特異響應信使RNA長距離移動的調控模型

浙江大學生命科學學院王智燁研究員為該論文通訊作者，已出站博士后董偉國和博士生王淑蔓為共同第一作者。此外，浙江大學沈星星團隊在移動信使RNA生信分析方面提供了關鍵支持。中國農業科學院易可可研究員和浙江大學莫肖蓉教授為研究工作提供了重要支持。研究工作得到國家重點研發計劃、浙江省杰出青年基金和國家高層次引進人才項目等資助。