随着全球气候变化的不断加剧，低温冻害和冷害已经成为影响农作物生长的一个重要自然胁迫因素。冷胁迫通常影响农作物正常的生长发育进程，严重时导致减产甚至颗粒无收。因此，作物冷应答分子机制研究可为作物耐冷分子育种提供理论参考。植物R-loop在不同的细胞活动中发挥重要作用，包括发育调控和胁迫应答等。然而，在低温敏感型作物如水稻中，R-loop介导冷胁迫应答的分子机制仍鲜有报道。
近日，南京农业大学张文利教授课题组在New Phytologist在线发表了题为“R‐loops act as regulatory switches modulating transcription of COLD‐responsive genes in rice”的研究论文。
通过结合DRIP-seq（DNA:RNA杂交免疫沉淀测序）技术以及RNA-seq、DNase-seq和ChIP-seq等多种组学数据，该研究详细阐述了在水稻冷胁迫应答过程中，R-loop的动态变化及其调控功能。该研究发现，冷胁迫可引起水稻基因组中R-loop重编程（图一），且与冷胁迫有关的R-loop含有一些转录因子特异结合的基序。
图1. 冷胁迫前后水稻R-loop的动态变化
此外，通过关联RNA-seq、DNase-seq、ChIP-seq数据，该研究发现R-loop除直接调控与冷响应相关的基因表达外，还可通过与之关联的转录因子或顺式调控元件以及lncRNA来间接调控与冷响应相关的基因表达，水稻中动态变化的R-loop共影响了近60%冷诱导的差异基因表达，该发现与拟南芥中已报道的研究结果不同，暗示了R-loop在调控单双叶子植物的冷胁迫应答中出现了功能分化。结合遗传学证据，进一步发现R-loop对不同冷应答基因表达具有不同的调节作用（负向或正向影响）（图2）。
图2. CK/COLD biased的R-loop参与调控基因表达
综上所述，这项研究揭示了R-loop在水稻应答冷胁迫中的分子机制，一方面有助于从DNA二级结构层面理解水稻或其它作物响应冷胁迫的分子机制，同时可为基于R-loop的抗冷水稻分子育种提供潜在的靶标位点。
南京农业大学在读博士生何泽学和在读专硕生彭宇潋，已经毕业研究生李梦琪、潘秀才和史伊宁为论文共同第一作者，南京农业大学张文利教授为论文通讯作者。中国农业科学院生技所谷晓峰研究员，宁夏农林科学院陈晓军研究员以及俄罗斯科学院Gennadii Borovskii博士等也参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金和江苏省研究生科研与实践创新计划等项目的资助。