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菟丝子来源miRNA通过跨物种调控新发现

菟丝子来源miRNA通过跨物种调控新发现

闪耀阿猫 2018 04 23

在2018年1月4日发表在nature上的一篇文章,报道了寄生植物菟丝子来源的miRNA可以靶向宿主拟南芥的mRNA,从而更容易从宿主的筛管吸取营养.







研究背景:之前研究已经发现,植物宿主可以产生siRNA来靶向病原体、寄生物的MRNA如真菌、线虫、昆虫以及寄生植物五角菟丝子,并且一种植物致病真菌葡萄孢菌中的small RNA可以在感染时靶向宿主的MRNA,并且植物产生的siRNA也可以靶向葡萄孢菌中的MRNA来减弱其毒性。这些都说明在自然状态下植物与寄生物之间是可以有小RNA交换的。但是,目前还没有研究发现植物与植物跨物种间的miRNA传递和作用。

作者假设小RNA通过田野菟丝子的吸盘来完成双向传递并影响接收者的基因表达。于是作者通过对菟丝子寄生于拟南芥这一模型进行研究,采集了菟丝子茎、交界面(吸盘处)、宿主茎三处组织并进行高通量小RNA测序,之后进行差异表达分析。结果如figure1a所示,横坐标是小RNA的丰度,纵坐标是交界面处与菟丝子茎某种小RNA丰度的改变量(log fold-change),找到了76个丰度显著上升的小RNA,其中43个有典型的miRNA对的特征,并且可以预测其茎环前体结构(figure1b),因此推测这43个是miRNA,之后RNA blot发现,这些miRNA的产生是交界面处特有的(figure1c)。

作者还发现,在这43mi RNA中,有26个是22nt长度的,这在植物中相较于21nt长的miRNA是少见的,并且之前的研究发现,22ntmiRNA会导致其靶基因相关的siRNA的积聚,这种积聚现象会扩大miRNA的基因沉默效应。于是作者假设22ntmiRNA会导致宿主中靶基因相关的siRNA形成。于是作者在拟南芥的MRNA中寻找符合以下条件的MRNA1、存在上述miRNA可能作用的靶点;2、在交界面处有相对应的积聚的siRNA。最终作者找到了6MRNA——TIR1, AFB2, AFB3, BIK1, SEOR1, HSFB4. 这些mRNA产生的siRNA在长度分布、双链堆积、相位方面都很类似其他的二级siRNA。另外通过分析脱帽的Mrna片段发现,所有与菟丝子miRNA互补的位点都有miRNA直接导致的切割,这种情况在交界面处更为明显。作者并没有找到任何宿主拟南芥来源的miRNAsiRNA来靶向这6Mrna,也没有找到任何菟丝子内源的二级siRNA作用于这6Mrna。作者得出结论是这种来源于菟丝子的22ntmiRNA通过跨物种的方式靶向拟南芥的Mrna。之后作者又发现,以上6Mrna中的五种在被寄生的茎中显著降低,并且之前的研究发现,拟南芥二级siRNA主要依赖于核酸内切酶DCL4RNA依赖的RNA聚合酶RDR6,进一步研究发现,在DCL4RDR6突变的个体中,TIR1二级siRNA的量是显著降低的,这说明宿主DCL4RDR6是二级siRNA产生所必须的。作者于是得出结论:菟丝子来源的miRNA利用宿主自身的基因沉默系统来产生二级siRNA


DCL4RDR6突变的宿主中,菟丝子的重量和生物量是没有明显变化的,这说明失去二级siRNA是不足以影响寄生物的生长的。但是在BIK1突变的宿主中,菟丝子的生物量却明显降低,BIK1与植物的发育和免疫力有关,但是它在植物发育中的作用要大于它在菟丝子寄生中发挥的作用。另外,SEOR1AFB3突变的宿主中菟丝子的生物量明显增加,因此SEOR1AFB3都起到限制菟丝子生长的作用,作者认为,SEOR1具有修复破损的韧皮部防止营养流失的作用,菟丝子正是通过吸盘获取植物韧皮部中的营养,这一点也与之前的假设——SEOR1AFB3是跨物种间miRNA作用的靶点相符。

另外已知菟丝子在双子叶植物中有很多宿主,通过对这些宿主中与拟南芥同源的 Mrna进行查询,发现BIK1, TIR1, SEOR1, HSFB4在不同的宿主中都是菟丝子miRNA作用的靶点。并且,在死掉的宿主中也没有发现交界面中存在miRNA,这说明宿主的存活是miRNA表达所必须的。



总而言之,菟丝子可以在吸盘处产生大量miRNA,这些miRNA靶向于宿主的Mrna并发挥抑制作用,这些miRNA中一部分是22ntmiRNA,它们可以利用宿主自身的基因沉默系统,产生二级siRNA,加强其抑制作用。通过这种跨物种miRNA的作用,改变了宿主的基因表达,从而更利于寄生物的生长。

参考文献:

Shahid S, Kim G, Johnson N R, et al. MicroRNAs from the parasitic plant Cuscuta campestris target host messenger RNAs[J]. Nature, 2018, 553(7686):82-85.



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