揭示环状RNA在非生物胁迫应答中的功能

玉米是世界上主要的粮食作物与科学研究的模式植物，而日益严峻的全球气候变暖对其生长发育、产量形成都是一个不容忽视的威胁。研究玉米应对干旱胁迫的分子机制、挖掘抗旱分子标记，对加快玉米抗旱新品种培育意义重大。环状RNA (circular RNA, circRNA) 是一类呈闭合环状结构、不易被 RNA 外切酶降解的非编码RNA，在发现之初仅被看作转录的“垃圾”和“噪音”，直到近年才被发现与人类疾病的发生息息相关，逐渐成为了动物研究领域的热点和重点。相比动物，植物 circRNA 的研究要滞后得多，已有的研究多是通过测序和生信分析鉴定 circRNA 在植物发育过程或者逆境胁迫中的种类或者特征，进行到功能研究的极少，尤其是 circRNA 是否直接参与包括抗旱在内的非生物胁迫应答，迄今未见报道。

近日，The Plant Journal 杂志在线刊发了华中农业大学代明球教授课题组题为 A large-scale circular RNA profiling reveals universal molecular mechanisms responsive to drought stress in maize and Arabidopsis 的研究论文。该研究通过大规模测序和转基因的方法揭示了circRNA在玉米和拟南芥应对环境干旱胁迫中扮演的重要作用，为作物的抗旱遗传改良提供了新的思路与理论基础，为玉米抗旱育种提供了潜在的新型分子标记。



在该研究中，研究人员通过对不同干旱程度的玉米及拟南芥苗期叶片进行 circRNA 及转录组测序，分别检测到了2174和1354个高可信度的 circRNA，其中大部分在干旱处理前后存在表达量差异，表明在植物中存在大量与干旱胁迫应答相关的circRNA，后续的PCR及荧光定量PCR结果也证实了这一结论。此外，在玉米和拟南芥所产生circRNA的宿主基因 (host gene) 中，同源基因达到40%，涉及多种保守的信号通路，表明circRNA调控植物抗旱在不同物种中既有保守性也存在物种差异性。同时，研究人员还发现玉米中 circRNA 的产生与 sRNA 的富集呈显著负相关，推断植物 circRNA 可能也存在分子海绵作用，通过调控 sRNA 在植物体内的含量进而调控靶基因的表达。在368份玉米自交系中，circRNA 宿主基因中存在大量与 circRNA 表达和干旱胁迫响应显著关联的 SNP/InDel 位点，从遗传学上给出了 circRNA 参与植物抗旱胁迫应答的证据，相关的SNP/InDel 可作为玉米抗旱选育潜在的新型分子标记。为进一步验证circRNA的功能，研究人员在拟南芥中超量表达了 circGORK (guard cell outward-rectifying K+-channel)，发现转基因家系的种子萌发对 ABA 超敏感，且植株表现出更加耐旱的表型，表明circGORK是拟南芥干旱胁迫应答正调控因子，为 circRNA 直接调控干旱胁迫应答提供了有力证据。



Overexpression of circGORK enhanced plant drought tolerance

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室的博士生张佩、硕士范渊和博士生孙霄鹏为该论文的第一作者，代明球教授为该论文的通讯作者。华中农业大学的李林教授、美国Wilkes University的William Terzaghi教授、法国Université d\&\#39\;Angers的Etienne Bucher教授也参与了这项工作。该研究受到科技部支撑计划 (2015BAD02B01)、十三五国家重点研发计划 (2016YFD0100600)、作物遗传改良国家重点实验室自主创新计划 (ZW13A0401) 和千人计划的资助。

代明球，中组部“青年千人计划”专家、湖北省“楚天学者”讲座教授，2007年毕业于华中农业大学获得博士学位，2007-2013年分别在美国康奈尔大学和美国耶鲁大学从事博士后研究工作，主持国家自然基金项目，近年来以通讯/第一作者身份在Plant Cell、Molecular Plant、Plant Physiology、Plant Journal 等国际SCI期刊上发表学术论文多篇。

参考文献：
Zhang P, Fan Y, Sun X, Chen L, Terzaghi W, Bucher E, Li L, Dai M. A large-scale circular RNA profiling reveals universal molecular mechanisms responsive to drought stress in maize and Arabidopsis. Plant J. 2019. doi: 10.1111/tpj.14267.

原文链接：
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14267

;