The Plant Cell | 寄生植物平原菟丝子中的跨物种转移microRNA 新的分子特征解析

平原菟丝子（Cuscuta campestris）是一种寄生植物，缺乏叶子、根和足够的叶绿素来维持自身。平原菟丝子利用一种叫做吸器的特殊器官以寄主植物为食。研究发现，只有当平原菟丝子感染宿主时，它才会产生大量长度较短的RNA，称为microRNAs (miRNAs)。miRNA与AGO蛋白结合，它们一起识别与miRNA互补的RNA序列并降解它们。这些miRNAs可以从寄生植物转移到宿主(跨物种)中，在那里它们可以破坏一些过程，如宿主自我防御的能力。我们将这些miRNAs称为跨物种、界面诱导的miRNAs (IIMs ),因为它们只能在宿主/寄生植物界面上检测到。

近日，美国宾夕法尼亚州帕克大学的研究者在著名学术期刊《The Plant Cell》发表了题为“rans-species microRNA loci in the parasitic plant Cuscuta campestris have a U6-like snRNA promotor”的研究论文，以拟南芥和番茄为宿主，研究者确定了IIMs在寄生虫侵入宿主组织之前就开始积累。在IIM位点的上游，我们还在93%的IIM中发现了一个10个核苷酸的顺式调控元件，称为上游序列元件(USE)，这对它们的积累至关重要。USE以前被认为是参与内含子剪接的核小RNA (snRNA)转录的组成性启动子。研究者还确定了IIMs是由RNA聚合酶III (POL III)转录的，直到现在还没有发现它参与植物中miRNAs的转录。

小调控RNA由21-24个核苷酸RNA组成，在基因表达调控中发挥重要作用。植物产生至少三种不同的小RNA。MicroRNAs (miRNAs)通常是21-22个核苷酸长度，来源于单链茎环前体。MiRNAs通常在转录后调节特定的靶标mRNA。典型植物miRNA是从较长的初级转录本加工而来的。拟南芥中的典型植物miRNA前体由RNA聚合酶II转录，具有可变长度，除了TATA盒外缺乏任何共同的顺式调控元件。有两种不同类型的短干扰RNAs (siRNAs)，它们都起源于双链RNA前体。较短的siRNAs长度为21-22个核苷酸，在内源性mRNAs、异常RNAs和病毒RNAs的转录后沉默中主要在核外发挥作用。较长的siRNAs通常有24个核苷酸长，通常在细胞核中发挥作用，它们指导转座子和其他非基因序列的DNA甲基化。跨物种小RNAs，定义为小RNAs自然地从一个生物体移动到另一个，通过靶向受体生物体中的mRNAs在植物-病原体相互作用中发挥重要作用。大多数实验验证的案例涉及miRNAs或21-22个核苷酸siRNAs。

平原菟丝子是一种专性寄生植物，它利用一种称为吸器的特殊器官刺穿宿主茎并与脉管系统融合来养活自己。吸器促进宿主和寄生植物之间光合产物和大分子的双向运动。吸器器官的发生由粘附、侵入和传导阶段组成。在附着阶段，来自寄生虫茎的皮层细胞开始分化和分裂以形成内生菌原基。称为指状细胞的细胞来自内生菌原基，最终延伸穿过并侵入宿主茎，标志着进入侵入期的过渡。这些指状细胞，现在被称为搜索丝，继续在皮层细胞之间延伸和移动，以识别宿主脉管系统。搜索丝一旦与各自的脉管系统接触，就会分化成木质部或韧皮部丝。一旦分化的丝开始积极地从寄主那里接受营养，吸器就完全成熟并达到传导阶段。

平原菟丝子缺少在近亲物种中常见的几个miRNAs家族。其他平原菟丝子MIRNA基因座可能是通过水平基因转移获得的。这些损失和获得的模式反映了对菟丝子蛋白编码基因观察到的那些模式。平原菟丝子在宿主和寄生植物之间的界面上特异性地产生一组miRNAs，其中一些随后可以在宿主植物中长距离移动。实验证明，来自菟丝子的几个界面诱导的miRNAs靶向并调节特定的宿主mRNAs，从而以跨物种的方式起作用。被靶向的宿主mRNAs包括参与生物防御、激素信号传导和脉管发育。界面诱导的跨物种miRNAs的包括22个核苷酸长的；寄生期间22个核苷酸的长度刺激寄生期间宿主衍生的次级siRNAs的产生。对菟丝子物种内和物种间界面诱导的跨物种miRNA多样性的分析提供了明确的证据，表明对寄生植物有益的几种miRNA-靶标关系一直处于菟丝子的正选择压力下。当平原菟丝子生长在带有某些靶标的无功能拷贝的宿主植物上时，寄生植物生物量显著增加。因此，研究者假设平原菟丝子利用界面诱导的跨种miRNAs来操纵宿主基因表达，以增加寄生植物的适应性。研究者使用术语“界面诱导的miRNAs”来指代所有这些差异表达的miRNAs，因为并不是所有的miRNAs都被直接证明靶向宿主mRNAs。

对平原菟丝子跨物种、界面诱导的miRNAs的初步发现使用了寄生植物缠绕宿主10天后收集的吸器样本。这是平原菟丝子寄生的一个相对较晚的阶段，此时吸器已经完全成熟。确定这些miRNAs何时变得可检测和活跃将有助于我们理解这些miRNAs是如何作为潜在的毒力因子被部署的。因为平原菟丝子具有广泛的宿主范围，另一个重要的问题是不同的界面诱导的miRNAs是否在分类上不同的宿主上被诱导。对这些miRNAs前体的转录调控知之甚少。对于典型的植物miRNAs，除了TATA盒之外，没有共同的启动子元件。确定这些不同的miRNA家族成员如何以组织特异性的方式被精确转录是特别令人感兴趣的。在这项研究中，研究者研究了平原菟丝子界面诱导的miRNAs在吸器发育和宿主识别方面的调控。研究者还分析了在编码平原菟丝子界面诱导的miRNAs的位点上发现的顺式调控特征。没有发现任何宿主特异性诱导界面诱导miRNAs的证据。同时还发现，编码界面诱导的miRNAs的基因座不仅彼此之间，而且与富含U的核小RNAs (U-snRNAs)也有共同的顺式调控元件。这个顺调控元件，结合界面诱导的MIRNA初级转录物的分子特性，表明界面诱导的MIRNA由RNA聚合酶III转录。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14040

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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