低温胁迫是限制植物分布的主要环境因素之一，感知低温信号是植物适应寒冷环境的基础。植物在低温中呈现出生长减缓，开花延迟等表型以适应低温环境，但对于其分子机制的解析依然任重道远，鉴定植物的冷感受器是解析植物低温感知分子机制的关键。
近日，中科院分子植物科学卓越创新中心杨小飞研究员、东北师范大学生命科学学院张铧坤教授与英国约翰英纳斯中心(John Innes Centre)丁一倞团队合作在Nature Communications发表了题为RNA G-quadruplex structure contributes to cold adaptation in plants 的研究论文，揭示了RNA鸟嘌呤四链体(RNA G-quadruplex, RG4)结构在低温感知和驱动植物的冷适应进化中的关键作用【1】。
温度依赖的大分子结构变化奠定了生物大分子发挥细胞温度计的功能，比如蛋白质和RNA等。然而由于缺乏活体测定植物RNA结构的方法，RNA是否能发挥温度计的作用一直缺乏系统性研究。近年来，张铧坤教授和丁一倞研究员实验室针对多种不同的RNA结构，开发了一系列检测方法，使得探索植物RNA温度计成为可能。
为了寻找与温度感知有关的RNA结构域特征，研究人员对1000种植物转录组项目(1KP)的RNA序列进行了研究。对其中的906种陆生植物与环境因素的相关性分析表明，生长在低温地区的植物RNA中普遍富含鸟嘌呤（Guanine）。G-rich序列在体外可以折叠为一种特殊的被称为鸟嘌呤四链体(RNA G-quadruplex, RG4)的结构，耐寒植物中具有更多的RG4结构（图1），暗示富鸟嘌呤(G-rich)序列与植物的耐寒性有关。
图1：耐寒植物转录组选择性富集RG4结构
为了考察RG4折叠与冷响应之间的关系，研究人员对模式植物拟南芥进行了低温处理，并利用此前开发的RG4检测方法SHALiPE-seq对体内RG4折叠进行了定量检测【2】。结果表明，低温处理显著诱导了植物体内RG4结构的折叠，证明植物RG4具有感知低温的能力（图2）。
图2：低温诱导拟南芥RG4的折叠
为了阐述RG4感知低温信号的分子机制，研究人员首先对拟南芥常温和低温处理的翻译组进行了比较分析。此前的很多研究表明，RG4结构可能参与蛋白质的翻译调控。但让人意外的是，本研究中发现低温诱导的RG4结构与翻译调控之间缺乏相关性。
进一步对RNA不同功能区的RG4比较分析发现，3’UTR的RG4对低温的敏感性显著高于5’UTR和CDS的RG4，暗示3’UTR的RG4在低温感知中发挥特别的作用。RNA的3’UTR在调控mRNA的稳定性中发挥重要作用，因此猜测3’UTR的RG4结构可能调控了mRNA在低温中的稳定性维持。研究人员系统分析了拟南芥的mRNA降解组数据，发现包含有冷诱导RG4的mRNA降解速率明显降低，暗示RG4可能抑制了mRNA的降解。
为了验证RG4结构在mRNA降解中的作用，研究人员挑选了一个受低温显著诱导的RG4基因，命名为CORG1。通过碱基替换将G突变为A，可以将包含RG4结构的野生型wtRG4-CORG1突变为不能形成RG4结构mutRG4-CORG1基因。进一步研究发现，mutRG4-CORG1在冷胁迫中的降解速率显著高于wtRG4-CORG1的降解速率，证明低温诱导的RG4结构形成抑制了mRNA的降解。有意思的是，低温对mutRG4-CORG1的转基因植物的生长抑制也明显弱于wtRG4-CORG1的拟南芥，表明RG4结构突变降低了植物对低温响应的敏感性。
图3：RG4突变导致植物对低温的生理响应减弱
综上所述，冷处理诱导了植物mRNA的3’UTR的RG4折叠，进一步选择性抑制了mRNA的降解从而减缓了植物在低温环境下的生长速度。转录组中RG4结构的选择性富集帮助陆生植物感知低温信号，促进植物对寒冷环境的适应性进化（图4）。
该研究证明，冷处理诱导了植物体内RG4的折叠，RG4结构是植物中发现的第一个RNA低温感受器。值得一提的是，该研究首次发现了RG4结构抑制了mRNA的降解，阐明了RG4结构的一个全新的分子调节功能。有意思的是，一份由哈佛大学和耶鲁大学研究人员对动物细胞的同期研究工作表明，多种胁迫因素（如低温、饥饿）促进了3’UTR的RNA结构折叠，并提高了mRNA的稳定性【3】。这些研究暗示环境依赖的RNA结构折叠作为胁迫感受器，在自然界广泛存在。
图4：RG4富集介导了植物对低温的适应性进化
杨小飞博士（原John Innes Centre博士后，现任中科院分子植物科学卓越创新中心研究员,CAS-JIC联合研究中心研究组长）和于昊澎博士(John Innes Centre)为共同第一作者，张铧坤教授(东北师范大学);和丁一倞终身研究员（John Innes Centre）为该论文的通讯作者。张月莹博士(John Innes Centre)，刘海峰博士（山东农业大学）和Chun Kit Kwok博士（香港城市大学）参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金、东北师范大学人才启动基金以及英国生物技术与生物科学研究委员会基金和欧洲研究委员会基金的资助。
参考文献
[1] Yang X*, Yu H*, Duncan S, Zhang Y, Cheema J, Miller B, Zhang J, Zhang H, Ding Y (2022). RNA G-quadruplex structure contributes to cold adaptation in plants. Nature Commun, 13:6224.https://www.nature.com/articles/s41467-022-34040-y
[2] Yang X, Cheema J, Zhang Y, Deng H, Duncan S, Umar MI, Zhao J, Liu Q, Cao X, Kwok CK, Ding Y (2020). RNA G-quadruplex structures exist and function in vivo in plants. Genome Biol. 2020 Sep 1;21(1):226.
[3]Kharel P, Fay M, Manasova EV, Anderson PJ, Kurkin AV, Guo JU, Ivanov P (2022). Stress promotes RNA G-quadruplex folding in human cells.
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34040-y
原文转载自公众号：BioArt植物