LncRNA调控的早期应答网络在甜菜低氮胁迫中的机制解析

《BMC Genomics》：LncRNA-mediated early regulatory networks in sugar beet (Beta vulgaris L.) response to low nitrogen

本研究针对甜菜(Beta vulgaris L.)氮肥过量导致的蔗糖积累效率下降问题，通过比较转录组学分析了低氮(LN)胁迫下甜菜叶片和根系中长链非编码RNA(lncRNA)的调控网络。研究发现120个叶片DELs和254个根系DELs通过顺式/反式调控(trans/cis=3.47:1)靶向氮代谢、植物激素信号转导等通路，关键lncRNA XR_791134.2和LNC_011801分别调控GS2介导的铵同化和生长素转运蛋白抑制。ceRNA网络进一步整合激素与氮信号，LNC_016830通过miR396a/b-5p调控GRF7/9协调根系适应性。该研究为甜菜氮高效育种提供了新靶点。

氮是植物生长发育不可或缺的大量元素，但过量施氮反而会降低甜菜等“氮响应型作物”的蔗糖积累效率。如何平衡氮肥投入与作物产量品质，已成为现代农业可持续发展的核心挑战。尽管已知低氮胁迫会触发植物的分子调控网络，但长链非编码RNA(lncRNA)在这一过程中的作用机制在甜菜中仍不明确。发表于《BMC Genomics》的最新研究，首次系统揭示了甜菜响应低氮胁迫的lncRNA调控网络，为解析作物氮高效利用的分子基础提供了新视角。

研究团队以甜菜种质‘780016B/12 Superior’为材料，在正常供氮(5 mmol/L)和低氮(0.5 mmol/L)处理12小时后，对叶片和根系进行转录组测序。通过CPC2、CNCI和PFAM工具联合筛选，鉴定出20,897个新型lncRNA，其结构特征（外显子数少、ORF长度短、表达量低）符合典型非编码RNA规律。差异表达分析发现，根系对低氮的响应更为显著，共254个DELs（叶片120个），暗示根系在氮感知中的核心地位。

关键技术方法

研究整合mRNA、lncRNA和miRNA测序数据，通过顺式（100 kb内邻近基因）和反式（共表达网络）靶点预测、GO/KEGG富集分析及ceRNA网络构建，系统解析lncRNA功能。实验验证采用qRT-PCR，以BvGAPDH和BvU6为内参。

3.1. 甜菜氮响应lncRNA的全基因组鉴定

lncRNA与mRNA相比具有更少的外显子（52%的lncRNA仅含1-2个外显子）和更短的ORF（峰值51-100 nt），表达水平显著低于编码基因（FPKM差值达10倍）。系统进化分析显示甜菜lncRNA与菠菜、拟南芥同源率超50%，提示功能保守性。

3.2. LN响应DELs的鉴定

根系DELs数量为叶片的2.1倍，聚类分析显示组织特异性表达模式，表明根系在早期氮胁迫响应中占主导。

3.4. LN-DEL调控网络的功能注释

反式调控占主导（trans/cis靶基因比例3.47:1），1,454个lncRNA-mRNA对富集于氮代谢（bvg00910）、植物激素信号（bvg04075）等通路。关键靶点包括下调的GS2（BVRB_001510）和多个生长素转运蛋白（AUX2/3/4），提示lncRNA通过调控铵同化和激素分布重塑碳氮平衡。

3.5. 激素信号通路的lncRNA调控

生长素信号通路中AUX/IAA抑制蛋白和SAUR基因受协同调控，ABA通路PYL4上调而PP2C下调，细胞分裂素信号多组分抑制，表明lncRNA通过激素交叉对话协调根系构型重建与胁迫应答。

3.6. LN胁迫下的ceRNA网络

根系ceRNA网络（3个lncRNA/4个miRNA/10个mRNA）中，LNC_016830作为枢纽通过吸附miR396a/b-5p解除对GRF7/9的抑制，进而影响生长素敏感性；novel_61靶向LNC_011801调控碳源分配。40个ceRNA关联DEGs中27个下调，富集于ABA（CRWN3介导ABI5降解）、乙烯（RAN1）和赤霉素（GCN5）通路，揭示lncRNA通过ceRNA界面整合多激素信号调控氮响应。

结论与讨论

本研究构建了甜菜低氮胁迫下lncRNA介导的多层级调控框架：早期根系特异性lncRNA通过反式调控主导C/N代谢重编程，XR_791134.2和LNC_011801关键节点精细调控GS2活性和生长素极性运输；ceRNA网络进一步通过LNC_016830-miR396-GRF7/9轴耦合激素信号与氮感知。该机制与杨树、水稻等物种保守，为通过分子育种定向优化甜菜氮利用效率提供了理论依据和候选基因。