近日，南京農業大學資源與環境科學學院徐國華教授團隊與美國德州理工大學研究人員合作，在《Nature Communications》發表了題為《Adaptive Dynamics of Extrachromosomal Circular DNA in Rice Under Nutrient Stress》的研究論文。該研究首次系統揭示了植物中染色體外環狀DNA（eccDNA）響應養分脅迫的動態變化機制，闡明了在氮和磷缺乏條件下，含有基因和轉座子重疊序列的eccDNA所指示的水稻基因組可塑性特征（圖1），為作物養分高效利用的遺傳改良提供了新的理論依據和研究思路。

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

該研究系統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%與基因區域重疊。其環出位點顯著富集于著絲粒、轉座子及高甲基化區域，提示eccDNA可能參與基因組穩定性調控。

在方法學上，該研究建立了植物eccDNA的豐度差異分析技術。基于該技術，發現基因相關eccDNA（ecGene）對養分脅迫具有特異性響應，能夠通過營養代謝相關通路動態適應不同強度與持續時間的氮和磷養分脅迫。此外，該研究揭示了轉座子相關eccDNA（ecTE）的養分脅迫響應規律：在低氮或低磷條件下，DNA轉座子來源的ecTE比例下降，而逆轉座子相關的ecTE顯著增加。值得注意的是，攜帶Kiddo轉座子元件的eccDNA僅在氮或磷脅迫時出現，可作為環境脅迫的潛在特異性分子標記。

圖1.水稻基因組可塑性的環境適應機制：基因及轉座子相關eccDNA在氮磷脅迫中的動態調控。

南京農業大學博士生倪涵芳與德州理工大學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。南京農業大學顧冕教授、德州理工大學Damar Lizbeth López-Arredondo教授等參與了該研究。研究獲得國家重點研發計劃、江蘇省種業振興等項目的支持。

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