植物作为典型的”久坐不动”生物，无法像动物一样迁徙避寒避暑，只能依靠分子层面的精细调控来应对多变的环境。过去十多年里，人们已经知道RNA中富含鸟嘌呤（G）的G-quadruplex（G四链体）结构能够帮助植物适应低温环境，增强转录本的稳定性。但RNA四种碱基中，还有一种同样能折叠成四链结构的碱基——胞嘧啶（C），它所形成的i-motif（iM，i基序）结构，长期以来却几乎是一片空白：它在转录组中分布在哪里？是否也像G四链体一样参与了植物的环境适应？又是否具有真实的翻译调控功能？这些问题，构成了本研究的出发点。
2026年6月19日，东北师范大学张铧坤教授团队联合英国约翰·英纳斯中心（John Innes Centre）丁一倞团队在国际学术期刊Molecular Biology and Evolution上发表了题为”RNA i-motif landscapes in plant kingdom and their potential functional roles”的研究论文。研究整合了”千种植物转录组计划”（1KP）中433个物种的转录组数据与全球生物多样性信息平台（GBIF）的生境气候数据，利用团队自主开发的iM-Seeker工具，系统构建了植物界第一张RNA i-motif全景图谱，揭示了这一C-rich结构在5′UTR中的显著富集及其与生境温度的关联，并通过翻译组分析与湿实验验证，证明了i-motif对翻译具有真实的抑制功能。
研究首先在分布规律层面确认，无论哪个植物类群，5′UTR中的iM密度都显著高于CDS和3′UTR区域（5′UTR vs CDS, P < 10⁻⁷⁴；5′UTR vs 3′UTR, P < 10⁻⁷¹），且即便校正了胞嘧啶含量本身的差异，这种富集依然显著存在，说明5′UTR对i-motif结构存在内在的选择偏好，而不仅是C碱基堆积的偶然结果；其中单子叶植物的5′UTR和CDS区iM密度明显高于其余五个类群。在此基础上，团队整合19个生物气候变量并结合系统发育广义最小二乘法（PGLS）分析发现，5′UTR的iM密度与最热月最高温（BIO5）、最热季节平均温（BIO10）等温度变量呈显著正相关，且这种关联在单子叶植物中尤为突出（BIO5相关系数=0.45，其余植物仅0.27），恰与单子叶植物偏好生长于温暖气候区相吻合。这一发现与此前报道的”G四链体富集于耐寒植物”形成了镜像关系——冷适应植物倾向于富集G四链体，暖适应植物则倾向于富集i-motif，提示不同非经典RNA结构可能在演化中分别响应了不同方向的温度选择压力。
在确认了分布规律与气候关联之后，研究进一步追问iM是否具有真实的翻译调控功能。团队利用水稻、硬粒小麦、番茄、玉米四个物种的核糖体图谱/多聚核糖体测序数据计算翻译效率，发现四个物种中5′UTR含iM的转录本翻译效率均显著低于不含iM的转录本；通过提取34个iM相关特征并以互信息、Spearman相关、Mann-Whitney u检验三重标准筛选，发现真正决定翻译抑制强弱的并非iM的折叠稳定性本身，而是环区（loop）中A、G、C碱基的组成。为了拿到直接的因果证据，团队从1KP直系同源基因组中选取两组单子叶植物候选基因，构建双荧光素酶报告系统：天然含iM的5′UTR翻译效率显著低于不含iM的同源序列；将iM突变为更易折叠的(C₃U₃)₃C₃构象后，翻译抑制效果几乎不变；而破坏C-tract结构后，翻译效率则显著回升，三组实验环环相扣，证实了i-motif对翻译的抑制是直接的因果关系，而非单纯的统计关联。
The transcriptome-wide iM atlases in plant kingdom
这项研究把核苷酸组成、RNA结构、生境温度与翻译调控四个维度串成了一条完整的逻辑链，揭示了植物可能在长期演化中把局部富集的胞嘧啶”驯化”成了一种响应高温环境的分子开关，为理解非经典RNA结构如何参与植物环境适应提供了新的演化视角。对作物改良而言，这一发现也提示了具体可行的方向——通过在胁迫响应基因的5′UTR中引入或优化i-motif元件，有望实现更精细的温度响应型翻译调控，为设计耐热作物提供新的分子工具箱，是RNA结构生物学与作物气候韧性育种交叉领域的一次重要拓展。
英国约翰英纳斯中心杨毕波博士与东北师范大学已毕业硕士李昱辰为论文共同第一作者。东北师范大学的张铧坤教授与英国约翰英纳斯中心的丁一倞教授为共同通讯作者。另外约翰·英纳斯中心闫宗运博士、东北师范大学的李莹莹博士，以及英国萨福克大学( University of Suffolk) Dilek Guneri 博士、伦敦大学学院Zoë A. E. Waller教授也为该研究做出了重要贡献。该研究得到了中国国家重点研发计划、国家自然科学基金、英国BBSRC、ERC以及英国皇家学会”法拉第发现奖学金”等项目的资助。
论文信息：Yang B, Li Y, et al. RNA i-motif landscapes in plant kingdom and their potential functional roles. Molecular Biology and Evolution, 2026. doi: 10.1093/molbev/msag152
代码与工具：iM-Seeker（github.com/YANGB1/iM-Seeker）、分析代码（github.com/YANGB1/Plant-RNA-i-Motif-Landscape）
原文转载自：https://mp.weixin.qq.com/s/3ES5Je8FUjm5v7oq-O2YmQ