既是“设计师”又是“营养师” 科学家揭示可变剪接控制植物营养元素吸收和转运

交汇点讯  可变剪接是生物体内普遍存在的现象，就像是生物体内一位神秘的“设计师”，会对蛋白质进行“裁剪”，从而导致生物的多样性。近日，南京农业大学生命科学学院郑录庆教授课题组日前发表了新的研究成果，揭示了可变剪接在植物矿质元素代谢中的调控作用，可以控制植物营养元素的吸收和转运。也就是说，在外界环境发生重大变化时，尤其是当缺少某种植物生长必需的矿物元素时，植物体内部就会自动发起一个响应机制，可变剪接这位“设计师”变身“营养师”，对植物体内的基因进行重新设定，使它们更加适应环境的变化。

为了弄清可变剪接在这一过程中所起的作用，该研究首先对不同矿质元素缺乏条件下的水稻RNA-Seq数据进行了系统的生物信息学分析，发现水稻基因组约53.3%含多个外显子的基因存在可变剪接，这些发生差异可变剪接的基因很少会发生差异表达，并且具有很高的元素特异性。

这表明之前仅仅关注营养胁迫下的差异表达基因的研究对于阐明植物应对营养胁迫的分子机制远远不够。那么，具体发生可变剪接的基因是否调控了水稻体内的矿质元素吸收代谢呢？

丝氨酸精氨酸丰富（SR）蛋白是已被报道的参与前体mRNA剪接的重要RNA结合蛋白，为了证实可变剪接在元素代谢中的调控作用，本研究对SR基因突变体应对营养胁迫及矿质元素的吸收转运进行分析，结果显示多个SR突变体体内Zn、Mn和P含量发生了改变，且其中三个SR蛋白对P的含量改变最大，极可能参与到了P的吸收以及在叶片和地上部的再分配。

众所周知，矿质元素是植物生长发育所必需，缺少某种矿质元素可能会导致植物的生产过程中产生这样那样的缺陷，比如水稻缺磷会导致分蘖减少、产量降低，缺铁影响叶绿素合成、导致叶片黄化，缺锌会导致植株矮小等等。目前，土壤缺素对粮食作物的生长发育及产量的影响越来越严重，如何在现有的资源内实现养分高效利用是植物营养领域首要的问题。

郑录庆介绍说：“植物对不同矿质元素的吸收和转运的方式途径已有过大量的报道和研究，然而面对水稻这种模式植物体内的缺素响应机制，仍有大量未知的途径亟待我们的探寻。”该研究建立了适用于分析模式作物水稻的可变剪接的系统分析方法，拓宽了人们对植物响应非生物胁迫过程的认知，为今后培育营养元素高效利用品种提供了理论依据。 

国际植物学权威期刊The Plant Cell近期在线发表了生命科学学院植物环境与营养团队的一项最新研究成果，论文题为《Alternative Splicing Plays a Critical Role in Maintaining Mineral Nutrient Homeostasis in Rice (Oryza sativa)》。该论文第一署名单位为南京农业大学，生科院博士研究生董春兰与何飞为共同第一作者，郑录庆教授为通讯作者。植物环境与营养团队沈振国教授、刘静娴、曹鹏飞、唐敏、石慧超、王武建、李巧璐等师生，以及来自澳大利亚拉筹伯大学Whelan Jim教授及Oliver博士也参与了本项研究。该研究得到国家重点研发专项、国家自然科学基金以及中央高校基本业务费等的资助。

生科院植物环境与营养团队的研究主要聚焦于植物对必需营养元素的吸收、分配与稳态调控的分子机制、重金属污染的生物修复等方向的研究。近年来主持多项国家重点研发专项课题、国家自然科学基金，取得了一系列重要进展。郑录庆教授2009年博士毕业于浙江大学，之后进入我校杰出校友日本冈山大学马建锋教授实验室从事博士后研究工作，于2013年作为高层次引进人才进入我校生命科学学院工作，主要从事植物营养分子生物学研究。

交汇点记者  王拓 通讯员 陈洁 刘静娴

编辑: 葛灵丹