【Mol Plant】lncRNA调节水稻抗病性的新机制

学术   2024-12-17 08:04   上海  

来源:MP植物科学


2024年12月9日,Molecular Plant在线发表了中山大学生命科学学院陈月琴教授和广东省农业科学院农业生物基因研究中心于洋副研究员团队题为“The long noncoding RNA ALEX1 confers a functional phase state of ARF3 to enhance rice resistance to bacterial pathogens”的研究论文。该研究揭示长链非编码RNA ALEX1通过调控生长素响应因子ARF3的蛋白相变,提高了水稻对白叶枯病菌的抗性。该研究深化了lncRNA在植物免疫中的重要作用机制,同时也为抗病基因挖掘和作物遗传改良提供了全新思路和分子靶点。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.12.005





研究背景



作物病虫害严重威胁全球粮食安全,发掘抗病基因资源并阐明其功能机制是分子育种研究的重要任务。长链非编码 RNA(long noncoding RNA, lncRNA)是一类长度大于200 nt的非编码RNA,其调控作物复杂农艺性状和环境适应性的分子机理已成为生命科学领域的重大科学前沿。中山大学陈月琴教授课题组前期鉴定到一个白叶枯病菌侵染后诱导表达的lncRNA——ALEX1A Leaf Expressed and Xoo-induced lncRNA 1),过表达该lncRNA可以显著增强水稻对白叶枯病菌的抗性(Yu et al., 2020)。然而,其具体作用机制仍未完全清楚。



研究结果



该研究首先通过核质分离和荧光原位杂交实验,发现ALEX1主要分布在细胞核内。通过RNA pulldown、RIP和三分子荧光互补实验等揭示了ALEX1与ARF3的直接分子互作。进一步的生理学和遗传学分析表明,ALEX1-ARF3模块共同调节了茉莉酸信号通路,最终影响水稻对白叶枯病的抗性。

图1. 长链非编码RNA ALEX1与ARF3蛋白通过调节茉莉酸信号影响水稻抗病性

此外,研究还发现ARF3可通过其自身的无序中间区域 (middle region,MR) 形成类固态的、无功能的蛋白凝聚体,ALEX1正是通过调节ARF3蛋白凝聚体的动态变化(即抑制无功能的ARF3的类固态相,促进ARF3转变为有功能的二聚体),增强了ARF3转录抑制下游靶基因(如JAZ13)的能力。

图2. ALEX1水平变化驱动ARF3蛋白在凝聚态和非凝聚态之间转变

综上所述,该研究提出了lncRNA调控植物抗病的一种新模型:在没有病原菌侵染的情况下,ALEX1的表达水平较低,并且ARF3蛋白形成稳定的凝聚体,处于非功能性状态。一旦受到病原侵染,ALEX1的表达被诱导,ALEX1直接与ARF3的MR区域结合,促进其二聚化,抑制凝聚体的形成,维持ARF3的活性状态,进而激活茉莉酸信号通路,增强水稻的免疫反应。这一发现为提升作物抗病育种效率提供了新的理论依据和物质材料。

图3. ALEX1-ARF3 模块介导蛋白质相变调控水稻抗病性的分子机制



作者简介



中山大学博士后雷梦琦何瑞瑞和副研究员周燕飞为该论文的共同第一作者,中山大学陈月琴教授和广东省农业科学院于洋副研究员为共同通讯作者。广东省农业科学院张振飞研究员、中山大学张玉婵教授、练剑平副教授、王文涛副教授以及杨露袁超赵文龙程宇等博士生参与了研究工作。感谢中山大学黄巧娟老师在设备共享中给予的帮助。该工作得到了广东省重点领域研发计划项目、国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目资助。



参考文献



Lei, M.Q., He, R.R., Zhou, Y.F., Yang, L., Zhang, Z.F., Yuan, C., Zhao, W.L., Cheng, Y., Lian, J.P., Zhang, Y.C., Wang, W.T., Yu, Y. and Chen, Y.Q., 2024. The long noncoding RNA ALEX1 confers a functional phase state of ARF3 to enhance rice resistance to bacterial pathogens. Molecular Plant.

Yu, Y., Zhou, Y.F., Feng, Y.Z., He, H., Lian, J.P., Yang, Y.W., Lei, M.Q., Zhang, Y.C. and Chen, Y.Q., 2020. Transcriptional Landscape of Pathogen-responsive LncRNAs in Rice Unveils the Role of ALEX1 in Jasmonate Pathway and Disease Resistance. Plant Biotechnology Journal. 18(3), 679-690.

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