Nature Plants | lncRNA ELENA1的移动可调节缺氮条件下的叶片衰老进程

氮是植物生长所必需的三种主要营养元素之一，在缺氮过程中，植物衰老的主转录因子ORE1表达。ORE1与MED19a一起激活叶片中几个衰老相关基因的转录，如BFN1、RNS3、SAG29、SINA1和VNI2。这些ORE1靶基因编码的酶负责成熟叶片中含氮分子的降解，以source-to-sink的方式将含氮代谢产物重新分配到氮需求器官。然而，在缺氮适应性生长过程中，根系感知的信号如何被用于调节叶片衰老仍有待深入研究。

近日，新加坡研究人员在知名期刊Nature Plants在线发表名为 “Systemic movement of long non-coding RNA ELENA1 attenuates leaf senescence under nitrogen deficiency”的研究文章，在这里，研究人员发现MED19a相关的长非编码RNA（lncRNA）ELENA1转录本在根中转录，在根到地上部分之间是可移动的，并且可以通过解离MED19a–ORE1转录复合物，从而校正缺氮条件下诱导的叶片衰老的进程。

为了检测ELENA1在缺氮下的诱导性，研究人对生长在氮充足和缺氮培养基上的野生型（WT）幼苗进行了时间过程分析，并从地上部分（shoot）和根部（root）中提取RNA。ELENA1转录物在缺氮情况下以时间依赖的方式诱导，它从缺氮处理的第2天开始，并且与第0天相比，在第8天在地上部分中积累高达约400倍。相比之下，根部ELENA1转录本水平在第8天相对于第0天增加到约60倍。ELENA1转录本在地上部与根部的差异积累表明，ELENA1可能在缺氮条件下地上部的适应性发育过程中发挥调节作用，其中之一是缺氮诱导的叶片衰老。为了研究ELENA1在缺氮条件下在地上部分中的功能，研究人员使用ELENA1敲低（KD）和过表达（OE）植物进行了缺氮诱导的叶片衰老测定， ELENA1 KD 植株 和ELENA1超表达植株分别表现出加速叶片衰老和延迟衰老表型。转录水平上，EL-KD植株表现出ORE1靶基因的表达增强，而EL-OE植株与WT相比表现出表达降低。转录水平的变化与表型观察结果一致表明ELENA1可能是ORE1依赖缺氮诱导的叶片衰老的负调控因子。

图1：lncRNA ELENA1减弱缺氮诱导的植物衰老。

ELENA1在地上部和根部的差异积累引发了在缺氮下ELENA1转录的问题。研究人员构建了ELENA1启动子-（3kbp）- GUS融合基因的转基因植物。在缺氮环境中，ELENA1启动子在根中具有活性，但在芽中不具有活性。此外，与缺N条件下，转基因品系中的ELENA1转录水平与WT相似。而GUS转录物仅在这两个品系的根中诱导，而在芽中不诱导。为了确定ELENA1转录物在缺氮环境下的系统功能，研究人员使用启动子YAO CRISPR–CAS9技术产生了一个elena1 CAS9敲除突变体。接着研究人员产生了WT和elena1的植物嵌合体：WT scion (S) with WT rootstock (R) (WT(S)/WT(R)), elena1(S)/elena1(R), elena1(S)/WT(R) 和 WT(S)/elena1(R)，并在缺氮水平上测定这些植物嵌合体的表型和转录水平。发现WT砧木对于ELENA1的转录物的正常表达是必要的，并且使用elena1砧木足以完全抑制嵌合物中的ELENA转录物表达；此外，在缺氮环境下，地上部分ORE1靶基因转录本分析结果均表明ELENA1转录物在根中转录，并在芽中系统地起作用，在-N条件下负调控ORE1依赖性衰老。

ELENA1被报道与各种亚基相互作用，即MED19a、MED26b和MED36a。研究人员最近还报道了ORE1与MED19a相互作用，形成−N诱导的叶片衰老所必需的MED19a–ORE1转录复合物，为了研究ELENA1、MED19a和ORE1的遗传关系，研究人员将与EL-KD#10、med 19a-2和ore1产生了各种遗传杂交，以获得med19a/ore1、EL-KD#10/med19a中和EL-KD#10/ore1。我们发现，与野生型相比，EL-KD#10/med19a-2和EL-KD#10/ore1中的加速衰老表型完全消失 , 转录分析显示，与WT（−N）相比，ORE1靶基因在EL-KD#10中高度表达; 然而，这种增加的表达在EL-KD#10/med19a-2和EL-KD#10/ore1中降低到与WT（+N）相似的水平,这些结果表明，ELENA1调节缺氮诱导的叶片衰老都需要Med19a和ORE1。

为了研究ELENA1、MED19a和ORE1之间的生化关系，研究人员进行了体外RNA pull-down测定。研究人员发现MED19a C-末端区域，对于与biotinylated ELENA1转录物相互作用是必要和充分的；先前发现MED19a C-末端区域是ORE1相互作用所必需的。对MED19a–ORE1蛋白复合物与ELENA1转录物进行体外相互作用测定显示ELENA1 RNA足以解离MED19a–ORE1复合物，并通过体内免疫沉淀实验证明增加ELENA1转录水平足以在体内解离MED19a–ORE1复合物。MED19a在BFN1和RNS3启动子上的富集依赖于ORE1和ORE1结合位点，为了确定ELENA1转录物在−N下BFN1和RNS3上游基因组区域的MED19a富集中的功能，研究人员对MED19a–FLAG进行了染色质免疫沉淀分析，研究结果同样证明ELENA1转录物足以解离MED19a–ORE1转录复合物。总而言之，研究人员解析长非编码RNA AELENA1在缺氮条件下对拟南芥叶片衰老的系统调控机制。

原文链接 ：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01521-x

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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