光是重要的环境信号，是植物进行光合作用的能量来源，参与调控植物各个阶段的生长发育过程，包括种子萌发、幼苗形态建成、叶片发育、茎的伸长与生长、向光性、气孔与叶绿体运动、开花、昼夜节律及避荫反应等。植物幼苗破土见光后，光信号迅速启动，发生光形态建成，即下胚轴生长受到抑制、子叶张开并变绿以进行光合作用，是植物早期生长的关键阶段。植物在漫长的进化过程中进化出敏感的信号系统来调节光形态建成，以响应不断变化的光环境。中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组前期研究发现精氨酸甲基转移酶AtPRMT5通过调控mRNA前体的正确加工从而保证植物正常的生长发育(Deng, et al. PNAS, 2010, 2016)。内含子剪切是真核生物mRNA成熟的关键步骤，南方科技大学翟继先研究组前期研究发现，植物细胞核内存在大量已完成转录和多聚腺苷酸化的转录本上特定位置的内含子仍未被剪切的现象，即转录后剪切内含子（pts-intron），这些转录本会滞留在染色质上，等待内含子剪切完成后才能释放到细胞质中发挥功能，其剪切过程依赖于AtPRMT5和SKIP等剪切相关蛋白，并且可能在快速响应环境信号变化中发挥作用(Jia, et al. Nature Plants, 2020)。然而，对于转录后加工调控在光形态建成中的作用目前尚不清楚。
近期，曹晓风研究组与翟继先研究组合作，针对转录后调控在光信号响应与光形态建成中的作用进行了深入解析。该研究使用基于Nanopore平台的FLEP-seq2测序技术对暗处理、光处理1小时以及6小时后的拟南芥幼苗细胞核RNA进行了全长转录组测序，发现大量光响应基因存在转录后剪切的内含子(pts-intron)，表明转录后剪切现象在植物早期光响应过程中发挥重要作用。为进一步探究含有pts-intron的基因是否具有组织特异性，作者利用单细胞核测序技术，对暗处理、光处理1小时及6小时的拟南芥幼苗的细胞类型进行了分类注释，发现在暗下滞留、光照后发生剪切的基因主要富集于叶肉细胞中，表明光响应基因的pts-intron的转录后剪切在叶肉细胞响应光信号以及光形态建成过程中发挥重要作用。
进一步研究发现，AtPRMT5缺失突变表现出对光响应异常的多重表型, 包括幼苗去黄化进程滞后、子叶面积小、光下长下胚轴以及暗下短下胚轴表型，表明AtPRMT5是光形态建成的重要调控因子。为了进一步鉴定光信号中参与转录后剪切的关键因子，作者结合已发表的公共数据资源，对光信号转导相关突变体的转录组数据进行了深入分析，发现光信号转导途径中的核心抑制子COP1是该过程的重要调控因子，与AtPRMT5协同调控光响应过程中的转录后剪切，促进了光照下叶绿体发育、光合作用和光形态建成，从而使植物能够适应不断变化的光照条件。
这项研究证明细胞类型特异的光响应基因的转录后剪切在光形态建成过程中具有重要的调控作用，不仅拓展了植物光形态建成的分子机制，同时也为深入理解植物通过特定细胞类型适应环境变化的多维度调控机制提供了新视角。
该项研究以“Light controls mesophyll-specific posttranscriptional splicing of photoregulatory genes by AtPRMT5”为题于2024年1月30日在线发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。遗传发育所闫延博士、雒昊飞博士以及南方科技大学博士研究生秦雨薇为该文章的共同第一作者，遗传发育所曹晓风研究员、邓娴青年研究员以及南方科技大学龙艳萍副研究员为该文章共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、中国科学院青年创新促进会的资助。
图：鉴定光响应过程中的转录后剪切事件
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中科院遗传发育所
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