Advanced Science | 浙江大学王智烨课题组揭示植物缺磷诱导信使RNA长距离移动的调控机制

植物体内存在一类特殊的移动RNA，它们能以“非细胞自主信号分子”的身份在不同组织间转运。磷是植物生长发育必需的大量元素，也是制约水稻等作物产量提升的关键因素之一。前期研究发现，缺磷胁迫会诱导植物产生大量可长距离移动的信使RNA，但这类RNA的组成特征、调控路径及功能模式仍有待系统阐明。

近日，浙江大学王智烨课题组在Advanced Science在线发表题为PHR-mediated Pi starvation response mobile messenger RNAs represent noncoding transcripts in recipient tissues的研究论文，揭示了植物缺磷诱导信使RNA长距离移动的调控机制，为上述科学问题提供了答案。

研究团队采用“异源嫁接体系+不同磷浓度处理”的实验设计，结合SNP分子标记与高通量数据分析技术，对拟南芥体内的长距离移动RNA进行了全面鉴定。结果显示，拟南芥地上部与根部之间存在200余种可长距离移动的转录本，其中大部分为信使RNA，且100余种是缺磷胁迫特异响应的移动RNA。值得注意的是，这些RNA的移动受缺磷胁迫响应，但自身表达水平并不受缺磷胁迫变化。这表明其移动能力并非由表达量变化驱动，而是存在特定的调控机制。进一步研究中，课题组通过phr1phl1双突变体与野生型的异源嫁接实验证实，缺磷信号中心转录因子PHR家族是调控这些缺磷特异移动信使RNA的“关键开关”。但有趣的是，PHRs并不参与这些移动转录本的转录过程，暗示其可能通过下游缺磷响应信号，或以非转录因子的特殊功能发挥调控作用。

在功能解析层面，课题组利用35S:3×FLAG-RPL18转基因材料与野生型进行异源嫁接，并结合翻译核糖体亲和纯化技术（TRAP）和转基因标签材料嫁接验证发现，PHR调控的缺磷特异响应移动信使RNA在“供体组织”中具备正常翻译能力，但当他们长距离移动至“受体组织”后，翻译能力丧失。这一发现揭示，这类移动信使RNA在受体组织中可能以“非编码RNA”的形式发挥生物学功能，打破认知中信使RNA仅作为“蛋白质合成模板”的单一角色。此外，课题组对这类移动信使RNA的RNA结构特征进行了分析。生信模拟与体内RNA结构实验（DMS-MaPseq）发现，与非移动RNA、通用移动RNA及缺氮移动RNA相比，PHR调控的缺磷特异响应移动信使RNA的5’非编码区具有“单链化程度更高”的独特结构特性。

该研究通过异源嫁接、多组学分析、转基因标签材料验证与体内RNA结构解析相结合的技术手段，系统阐明了拟南芥缺磷胁迫响应中长距离移动信使RNA的组成特征、调控机制与功能模式（图1）。该研究发现不仅为深入理解植物养分逆境适应的分子网络提供了新视角，也为长距离移动信使RNA的逆境调控功能研究提供了全新的研究思路。未来，课题组将进一步探索这类移动RNA的具体作用与调控机理，为作物养分高效改良提供新的理论依据与技术支持。

图1 缺磷胁迫特异响应信使RNA长距离移动的调控模型

浙江大学生命科学学院王智烨研究员为该论文通讯作者，已出站博士后董伟国和博士生王淑蔓为共同第一作者。此外，浙江大学沈星星团队在移动信使RNA生信分析方面提供了关键支持。中国农业科学院易可可研究员和浙江大学莫肖蓉教授为研究工作提供了重要支持。研究工作得到国家重点研发计划、浙江省杰出青年基金和国家高层次引进人才项目等资助。