喜旱莲子草全基因组LncRNA鉴定揭示其调控表型可塑性生长的分子机制

本研究针对植物表型可塑性分子机制不清的问题，通过整合PacBio长读长测序和时序转录组分析，系统鉴定了喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)中141个响应淹水胁迫的长链非编码RNA(LncRNA)，发现LncRNA14247、LncRNA13847等通过调控植物激素稳态和光信号通路介导淹水诱导的可塑性生长，为入侵植物环境适应机制提供了新见解。

　　

在全球气候变化背景下，极端水文事件频发，植物如何快速适应淹水环境成为生态学和进化生物学研究的热点。作为典型入侵物种，喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)展现出惊人的表型可塑性——其水生型个体具有显著延长的节间、发达的通气组织和特化的气生根，这些适应性特征使其能在水陆两种生境中自由切换。然而，这种可塑性生长的分子调控机制，尤其是表观遗传层面的调控网络，至今尚未阐明。

长期以来，研究多集中于DNA甲基化和microRNA在表型可塑性中的作用，而对长度超过200nt的长链非编码RNA(Long non-coding RNAs, LncRNAs)的功能探索相对滞后。LncRNAs可通过顺式(cis)或反式(trans)作用调控基因表达，参与染色质重塑、转录干扰和转录后调控等多种生物学过程，在植物发育和逆境响应中发挥关键作用。但LncRNAs是否以及如何调控淹水诱导的表型可塑性，特别是其在入侵物种环境适应中的贡献，仍是未解之谜。

针对这一科学问题，复旦大学杨继教授和郑冰莲教授团队在《iScience》发表了最新研究成果。研究团队整合第三代PacBio长读长测序技术和时间序列转录组分析，首次在喜旱莲子草中开展了全基因组范围的LncRNA鉴定与功能预测工作，系统揭示了LncRNAs在淹水胁迫响应中的调控网络及其对表型可塑性的贡献。

研究主要采用以下关键技术：基于PacBio SMRT Iso-Seq的长读长转录组测序技术，结合Illumina短读长数据的校正分析；多组织部位(根、亚成熟茎、幼茎)的时间序列采样策略(0/3/24/48/72/96小时)；加权基因共表达网络分析(WGCNA)预测LncRNA-mRNA互作关系；农杆菌介导的瞬时过表达技术验证LncRNA功能；qRT-PCR验证关键基因表达模式。所有植物材料均来自中国浙江诸ji的入侵种群。

研究结果主要包括以下几个方面：

Morphological and transcriptomic responses to submergence in A. philoxeroides

表型分析显示淹水处理显著促进节间伸长和气生根形成。转录组分析发现三个组织中共有35,836个差异表达基因(DEGs)，其中72.36%呈现组织特异性表达模式。GO富集分析表明DEGs显著富集于氧化反应、水分运输、细胞壁修饰以及多种植物激素(赤霉素GA、生长素、油菜素内酯BR、乙烯、脱落酸ABA)的代谢与信号转导过程。

Identification and characterization of lncRNAs in A. philoxeroides

共鉴定出8,668个LncRNAs，其平均长度(560 nt)和外显子数量(1.5个)显著小于mRNAs，表达水平较低但组织特异性更高。其中141个LncRNAs在淹水胁迫下显著差异表达，且大部分缺乏跨物种序列保守性。

Identification and functional predictions of cis-regulatory long non-coding RNA-target gene pairs

预测到116-139个顺式调控LncRNA-mRNA对，功能注释显示这些靶基因主要参与植物激素稳态、转录调控和蛋白质翻译降解。例如LncRNA AphChr21.t380与其相邻的GA2ox8基因(赤霉素2-氧化酶8，参与活性GA降解)在亚成熟茎中共下调表达，导致活性GA水平升高进而促进节间伸长。LncRNA Aphmerge.14247.1可能通过调控ASR2(脱落酸胁迫成熟蛋白2)基因参与ABA信号调控。

Prediction and functional analyses of trans-target genes of long non-coding RNAs

通过共表达网络预测反式作用靶基因，发现根、亚成熟茎和幼茎中分别有88、78和61个LncRNAs与17,016、5,731和8,804个mRNAs共表达。GO分析表明这些靶基因参与初级和次级代谢、胁迫响应以及植物激素生物合成与信号转导。特别发现LncRNA12385、LncRNA13847和LncRNA7566与乙烯响应因子(ERF)、乙烯不敏感蛋白(EIN3/EIN4)和光敏色素互作因子(PIFs)等茎伸长相关基因共表达。

Validation of long non-coding RNA-target mRNA pairs by in vivo over-expression and qRT-PCR

通过农杆菌介导的瞬时过表达验证了4个关键LncRNA的调控功能：LncRNA128和LncRNA14247过表达显著上调其顺式靶基因eIF4A(真核翻译起始因子4A)和ASR2；LncRNA13847和LncRNA12385过表达明显增强其反式靶基因XTH22(木葡聚糖内转糖基化酶/水解酶22)和ERF的表达水平。

研究结论与讨论部分指出，该研究首次在喜旱莲子草中系统鉴定了淹水响应性LncRNAs，揭示了LncRNAs通过调控植物激素(GA、ABA、乙烯等)稳态和光信号通路关键组分(如PIFs)，整合内源激素信号与外界光环境 cues，精细调控淹水诱导的可塑性生长发育。这不仅深化了对植物表型可塑性分子机制的理解，还为入侵生物的环境适应机制提供了新视角。研究发现的LncRNA-mRNA调控网络为未来作物抗逆育种提供了潜在靶点，对培育抗旱耐涝作物品种以应对气候变化的"旱涝急转"挑战具有重要启示意义。

研究的局限性在于尚未通过功能实验完全阐明这些LncRNAs调控靶基因的具体分子机制及其对表型可塑性的直接影响。尽管如此，该研究为后续探索LncRNAs在植物环境适应中的功能奠定了基础，为开发基于表观遗传调控的作物抗逆策略提供了新思路。