植物生理学:揭示植物DNA损伤调控的新机制

DNA是生物遗传信息的载体，是正常生长、发育和繁殖所需的遗传模板，保持DNA的完整性和稳定性至关重要。紫外线、辐射和环境污染造成的DNA损伤影响人和动物的衰老，或导致疾病甚至癌症。对于植物来说，外界环境因素，如土壤盐分、重金属、电离辐射、紫外线、洪水等胁迫也会造成DNA损伤，影响植物生长发育，甚至对作物生产造成危害。然而，动物和植物对DNA损伤反应和修复的机制并不相同，在植物中的研究相对滞后。研究调控植物DNA损伤及其修复的机制，对于增强作物抗性和提高生物产量具有重要的生物学意义。近日，中科院青岛生物能源与过程研究所李研究员领导的能源植物改良利用研究组揭示了MAC5A和26S蛋白酶体协同调控植物DNA损伤反应(DDR)进而影响植物生长发育和适应高硼胁迫的新机制。相关研究成果发表在《植物生理》(植物生理学)。

MOS4相关复合物(MAC)复合物参与植物生长和发育、胁迫反应、前mRNA可变剪切和miRNA生物合成的生物学过程。MAC5是MAC复合体的附属亚单位，其功能的完全丧失会导致严重的发育缺陷和胚胎死亡。此前，研究小组提出MAC5通过调节pri-miRNA的稳定性来影响miRNA的积累(李等，2020)，但MAC5在植物中的其他生物学功能尚不完全清楚。

发现缺失突变体MAC5A对甲基磺酸甲酯(MMS，一种DNA损伤诱导剂)的处理更敏感，并表现出抑制主根生长和延迟真叶原基发育等表型。RNA-seq分析表明，MAC5A的缺失导致DDR相关基因表达的改变和前mRNA的可变剪切。此外，通过IP-MS质谱鉴定了多个26S蛋白酶体亚单位和MAC5A之间的相互作用。MAC5A与26S蛋白酶体的关键亚基RPN1A和RPT2A之间的相互作用通过生化和遗传分析得到进一步验证。MAC5A调节26S蛋白酶体的活性，26S蛋白酶体也影响MAC5A蛋白的降解。此外，土壤中高浓度的硼影响作物的产量和品质，其中一个主要原因是高硼胁迫导致植物DNA损伤。研究表明，MAC复合体和26S蛋白酶体的许多核心亚单位参与了高硼诱导的DNA损伤的应答过程。本研究揭示了MAC复合体和26S蛋白酶体协同调控植物DDR过程的分子机制。

本研究得到了国家面上项目、山东省能源研究所创新基金、中国科学院、中国博士后科学基金等的资助。来自内布拉斯加大学林肯分校、河南大学和西南大学的研究人员参与了这项研究。

植物的生长、发育和环境适应性受RNA转录和转录后调控，因此揭示调控植物生长和抗逆性的分子基础有助于作物特别是能源作物的遗传改良。截至目前，团队在RNA转录后加工领域取得了一系列进展，揭示了MAC复合体附属亚基MAC5(李等，2020)、MAC复合体核心亚基MAC3(李等，Plant Cell 2018)和DEAD-box RNA解旋酶SMA 1(李等，Nucleic Acids Research 2018)调控植物生长和miRNA合成代谢的生物学。