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Nature Plants|外源miRNA可被植物吸收,诱导转录后

发布时间:2021-11-15 08:48 作者:admin 来源:未知 点击: 字号:

      miRNA是一类由基因转录生成的非编码RNA,可以被DCL(Dicer-like)剪切形成21-22nt的成熟型miRNA。与miRNA不同,siRNA需要先由RDR6(RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE6)形成长双链RNA(dsRNA),再被DCL剪切生成。miRNA和siRNA的基因互补链随后和AGO(ARGONAUTE)结合,识别并剪切其靶基因的mRNA 。在植物中,miRNA和siRNA可以通过胞间连丝进行细胞间移动,也可以通过维管组织进行长距离运输。研究表明,miR399和miR156都可以通过韧皮部进行长距离运输。在磷胁迫下,植物可以通过miR399下调降解酶PHO2来促进PHO1的表达,从而增强磷的吸收miR156可以下调SPLSQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE的表达来抑制植物的幼成年转变。
 
      研究发现,sRNA除了在植物体内移动外,还可以在宿主植物及其互作的微生物(如病原菌)甚至寄生植物之间进行转运。然而,miRNA是否在环境中存在,是否可以被植物吸收并诱导转录后基因沉默(PTGS),仍然不清楚。
 
      2021年10月14日,Nature Plants在线发表了意大利圣安娜高等学院Pierdomenico Perata和农业生物与生物技术研究所Elena Loreti合作的研究论文 Exogenous miRNAs induce post-transcriptional gene silencing in plants。该研究通过巧妙的实验设计依次证实了:1)外源miRNA可以沉默靶基因,2)外源miRNA可以进行长距离运输,3)外源miRNA通过RNAi相关机制诱导PTGS,及4)植物可以通过分泌miRNA对邻近植物进行调控。
外源miRNA沉默靶基因
      该研究首先发现,在培养基中添加野生型或miRNA过表达植物的RNA提取物,可以抑制PHO2SPL9的表达,且miR399或miR156过表达的RNA提取物表现更显著。为了排除上述结果是由于干扰了RNAi相关机制而产生的,作者构建了带有miR399靶序列的Fluc(Firefly luciferase)转基因植物pPHO2:Fluc,并证实miR399过表达的RNA提取物可以下调Fluc的活性。此外,该研究显示在培养基中添加合成的miR156(ds-miR156)可以抑制幼苗根的生长(与miR156a过表达的表型一致),并下调根中SPL3SPL9的表达(Figure 1)。同样,合成的miR399(ds-miR399)也可以抑制pPHO2:Fluc转基因植物中Fluc的活性。
Figure 1, 外源ds-miR156处理影响了根形态和SPL表达
外源miRNA的长距离运输
      为了确认外源miRNA是否可以进行长距离运输,研究人员用Cy3荧光标记了miR399,并用它分别处理标记韧皮部的pSUC2:YFP和标记木质部的pS18:YFP转基因植物。结果显示,miR399和韧皮部的YFP共定位,表明它可以通过韧皮部进行长距离运输(Figure 2)

Figure 2, 外源ds-miR399的长距离运输
外源miRNA诱导的PTGS及其作用机制
      为了进一步研究外源miRNA的作用机制,研究人员首先构建了带有miR399靶序列的转基因原生质体pUBQ10:PHO2-UTR–Fluc,并证实miR399过表达的RNA提取物可以显著下调Fluc的活性。同时,通过5′-RACE(5′-rapid amplification of complementary DNA ends)可以检测到PHO2的剪切物。这些结果表明,外源miRNA可以通过RNAi机制生成次级siRNA,并诱导相关基因的PTGS。miRNA生成次级siRNA需要AGO1和RDR6,该研究证实,外源miR399(miR399的RNA提取物或ds-miR399)无法在ago1rdr6突变的原生质体抑制Fluc的活性(Figure 3)。通过pPHO2:Fluc转基因植物和ago1rdr6突变体的杂交,该结果在植物体内得到了进一步证实。
Figure 3, 外源miR399通过AGO1RDR6诱导PTGS
miRNA的分泌可以调控邻近植物
      既然外源miRNA可以被植物利用,那么植物分泌的miRNA能否调控邻近植物的基因表达?该研究证实了miR399过表达植物可以在液体培养基中分泌miR399d;通过让野生型植物和miR399过表达植物生长在同一液体培养基中,研究人员发现野生型植物的PHO2表达也被下调了。当pPHO2:Fluc转基因植物和miR399过表达植物一起生长时,PHO2 Fluc的表达被同时下调了。此外,用35S:ami-Fluc过表达植物(人工设计的FluemiRNA)共生长,也可以抑制Fluc的活性,并下调PHO2 Fluc的表达;表明ami-Fluc进入pPHO2:Fluc转基因植物后,可以利用带miR399靶序列的Fluc生成次级siRNA并下调PHO2的表达。与此类似,miR156过表达植物也可以下调共生长的野生型植物中SPL3SPL9的表达(Figure 4)


Figure 4, miR156过表达植物可以下调共生长的野生型植物中SPL基因的表达
      综上所述,该研究发现植物可以分泌miRNA,并且分泌量高的植物可以通过PTGS调控邻近分泌量低的植物中的基因表达;从而证实了miRNA可以作为植物间通讯的信号分子。这样的机制有利于植物群体对环境变化进行同步响应。
 

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