南京农大与德州理工团队探索植物抗逆的“隐藏密码”:染色体外环状DNA

近日，南京农业大学徐国华教授团队钟山青年研究员倪涵芳博士为第一作者，徐国华教授与美国德州理工大学Luis R. Herrera-Estrella教授为共同通讯作者的团队，在双方合作研究氮、磷胁迫下水稻eccDNA适应性动态（发表于《Nature Communications》）基础上，在国际权威期刊《Trends in Plant Science》发表了题为《植物eccDNA：基因组可塑性与逆境适应的驱动者》（Plant eccDNA as drivers of genome plasticity and stress adaptation）的综述论文。该文系统阐述了植物eccDNA作为独立遗传元件的核心作用，为理解植物对非生物胁迫的快速适应机制与进化过程提供了兼具创新性与前瞻性的独特视角。

图  植物染色体外环状DNA （eccDNA）在逆境响应中的动态和功能。

研究表明，eccDNA能够主动参与基因调控、基因组进化及环境应答。在面对营养缺乏、除草剂、干旱等非生物胁迫时，eccDNA能通过多种机制（如驱动基因拷贝数变异、参与转座子活跃事件）迅速介导变异，为植物提供即时或可遗传的适应能力，成为了超越传统染色体遗传的进化新途径。该论文梳理了植物领域eccDNA研究的发展脉络，具体阐释了eccDNA参与植物非生物逆境胁迫应答的五大功能途径，包括源自转座子、基因、重复序列的eccDNA，以及可介导水平基因转移、驱动拷贝数变异的eccDNA（如图）。

针对植物eccDNA生成机制的解析，该论文勾画了当前已知的eccDNA形成途径，包括同源重组（HR）、非同源末端连接修复（NHEJ）及选择性末端连接修复（Alt-EJ），并探讨了不同环化机制研究的可选技术范式。此外，结合第三代测序技术、大数据分析与人工智能飞速发展的时代背景，该论文剖析了植物eccDNA研究目前存在的局限，继而指出未来研究应聚焦于解析胁迫条件下eccDNA的精确累积机制、细胞间传递方式及跨代遗传规律，并探索其应用价值。

解锁这套天然的“隐藏密码”，通过人工干预或利用这一原生系统，培育养分资源高效利用的、能应对气候剧变的“智慧作物”，或将成为作物设计育种的新策略。

该研究得到了国家重点研发计划、江苏省种业振兴揭榜挂帅等项目的资助。