近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院徐國華教授團(tuán)隊與美國德州理工大學(xué)研究人員合作，在《Nature Communications》發(fā)表了題為《Adaptive Dynamics of Extrachromosomal Circular DNA in Rice Under Nutrient Stress》的研究論文。該研究首次系統(tǒng)揭示了植物中染色體外環(huán)狀DNA（eccDNA）響應(yīng)養(yǎng)分脅迫的動態(tài)變化機(jī)制，闡明了在氮和磷缺乏條件下，含有基因和轉(zhuǎn)座子重疊序列的eccDNA所指示的水稻基因組可塑性特征（圖1），為作物養(yǎng)分高效利用的遺傳改良提供了新的理論依據(jù)和研究思路。

eccDNA是真核生物基因組可塑性的重要分子標(biāo)志之一。盡管其在人類細(xì)胞中的功能已有較多研究，但植物eccDNA的生物學(xué)特性仍知之甚少。本研究以水稻為模式系統(tǒng)，通過系統(tǒng)比較不同生育期、正常生長與低氮和低磷脅迫條件下eccDNA的豐度動態(tài)與序列特征，首次揭示了植物eccDNA參與營養(yǎng)生長和響應(yīng)養(yǎng)分脅迫的潛能，為挖掘作物養(yǎng)分高效利用新基因、利用基因組可塑性改良作物養(yǎng)分效率提供了新策略。

該研究系統(tǒng)地鑒定了水稻地上部組織中eccDNA的特征與分布，在16個不同生育期及低氮/低磷處理樣本中共檢測到96,757個eccDNA。分析顯示，這些eccDNA序列與染色體高度同源，約30%與基因區(qū)域重疊。其環(huán)出位點顯著富集于著絲粒、轉(zhuǎn)座子及高甲基化區(qū)域，提示eccDNA可能參與基因組穩(wěn)定性調(diào)控。

在方法學(xué)上，該研究建立了植物eccDNA的豐度差異分析技術(shù)?；谠摷夹g(shù)，發(fā)現(xiàn)基因相關(guān)eccDNA（ecGene）對養(yǎng)分脅迫具有特異性響應(yīng)，能夠通過營養(yǎng)代謝相關(guān)通路動態(tài)適應(yīng)不同強度與持續(xù)時間的氮和磷養(yǎng)分脅迫。此外，該研究揭示了轉(zhuǎn)座子相關(guān)eccDNA（ecTE）的養(yǎng)分脅迫響應(yīng)規(guī)律：在低氮或低磷條件下，DNA轉(zhuǎn)座子來源的ecTE比例下降，而逆轉(zhuǎn)座子相關(guān)的ecTE顯著增加。值得注意的是，攜帶Kiddo轉(zhuǎn)座子元件的eccDNA僅在氮或磷脅迫時出現(xiàn)，可作為環(huán)境脅迫的潛在特異性分子標(biāo)記。

圖1.水稻基因組可塑性的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制：基因及轉(zhuǎn)座子相關(guān)eccDNA在氮磷脅迫中的動態(tài)調(diào)控。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生倪涵芳與德州理工大學(xué)Lenin Yong-Villalobos博士為共同第一作者，徐國華教授與Luis Rafael Herrera-Estrella教授為共同通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)顧冕教授、德州理工大學(xué)Damar Lizbeth López-Arredondo教授等參與了該研究。研究獲得國家重點研發(fā)計劃、江蘇省種業(yè)振興等項目的支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59572-x