生命学院戚益军课题组揭示反义RNA在植物冷驯化过程中的重要作用
清华新闻网6月3日电 冷冻是影响植物生长发育的主要胁迫因素之一。植物在经历微寒温度后，可对冰冻温度产生耐受性，这一适应过程被称为冷驯化。C-重复结合因子（C-REPEAT BINDING FACTORs，CBFs），包括CBF1、CBF2和CBF3，是一类AP2/ERF家族转录因子，在植物冷胁迫响应中发挥关键作用。在冷胁迫时，CBF基因表达被快速激活，并通过促进一系列受冷调控（COLD-REGULATED，COR）基因的表达，增强植物抗冻能力。
北京时间5月29日，清华大学生命学院、植物生物学研究中心戚益军教授课题组在《发育细胞》（Developmental Cell）发表题为“一个反义RNA通过形成R-环结构促进CBF基因转录和植物冷驯化”（An antisense RNA forms R-loop to facilitate the transcription of CBF genes and plant cold acclimation）的研究论文。研究发现低温可诱导CBF1和CBF3基因间区的反义链转录产生非编码RNA。该反义RNA被命名为CAS（CBF antisense transcript）。深入探究发现CAS通过形成R-环（R-loop）结构，降低CBF1和CBF3位点上核小体的分布密度，从而促进CBF1和CBF3基因的转录和植物对冷冻的耐受性（图1）。
图1.CAS促进CBF1和CBF3基因转录
戚益军课题组之前在全基因组范围内鉴定了模式植物拟南芥中的长非编码RNA，其中包括大量源自蛋白编码基因反义链的RNA，并发现反义RNA的表达通常和与其相对应的正义链基因的表达呈正相关，暗示反义RNA可能促进正义链基因的表达。在最近发表的研究中，课题组对冷诱导的反义RNA CAS的作用机制和生物学功能进行了深入研究，发现植物受低温（4°C）胁迫三小时后，CAS的表达大幅上调。为了探究CAS在CBF基因表达调控中的作用，课题组创制了多个cas突变体。在这些突变体中，CBF2表达未受影响，但CBF1和CBF3的表达均显著降低，表明CAS正向调控CBF1和CBF3的表达。由于CBF1、CBF2和CBF3功能冗余，为了评估CAS对植物抗冻能力的影响，课题组构建了cas cbf2双突变体。与cbf1 cbf2 cbf3三突变体类似，在cas cbf2中，COR基因激活显著受损，植物对冷冻的耐受性下降（图2）。这些结果表明，CAS通过正向调控CBF1和CBF3的表达，增强植物抗冻能力。
图2.CAS增强植物抗冻能力
进一步研究发现，大部分CAS与染色质结合，在转录水平调控CBF1和CBF3表达。由于CAS转录自CBF1和CBF3基因间区，课题组推测CAS可能通过提高附近区域染色质开放程度，促进两侧基因转录。MNase-qPCR实验结果表明，低温处理前，野生型植物中CBF1和CBF3基因位点处的核小体密度较高，低温处理后，这些位点处的核小体密度明显降低。在cas突变体中，低温诱导的CBF1及CBF3位点核小体密度降低现象受到抑制，表明CAS可促进这些基因位点染色质的开放。
与染色质结合的非编码RNA可通过形成R-环、RNA-DNA三螺旋结构，或与RNA结合蛋白相结合，调节基因转录。对已发表的ssDRIP-seq数据分析发现，CAS位点存在R-环信号。DRIP-qPCR实验证实，CAS与其DNA模板结合形成了R-环结构，且该结构在低温处理三小时后达到峰值。RNase H可去除R-环。在RNase H 1A过表达植物中，CAS位点的R-环水平显著降低，低温诱导的CBF1和CBF3位点核小体密度不能有效降低，CBF1和CBF3的表达受到显著抑制，表明CAS形成的R-环结构有助于提高染色质的开放，促进CBF1和CBF3基因表达。
综上所述，该研究揭示了反义RNA调控CBF基因表达的分子机制及其在植物冷驯化过程中的重要功能。
戚益军教授为该论文的通讯作者，生命学院博士后孙建杭和赵新玥为论文共同第一作者。中国农业大学生物学院傅迪毅博士、施怡婷教授、杨淑华教授参与了部分工作。研究得到国家自然科学基金委和新基石基金会的经费支持。
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