菟丝子寄生生物对宿主植物基因表达的调节控制

菟丝子寄生生物对宿主植物基因表达的调节控制

2018-04-26 22:37:41 102

菟丝子是一种寄生植物,每年都会给美国乃至全世界的农作物带来重大损害。它从宿主植物那里获得水和养分,并能够限制这些宿主植物的基因表达。这种跨物种基因调节,包括那些有助于宿主植物防御寄生生物的基因,此前从未在寄生植物上见过。了解这一机制可以为研究人员提供一种植物基因编辑的方法,使它们具备对寄生生物的抵抗能力。该文章由宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚理工大学的科学家合作撰写,于近日发表在《Nature》期刊上。

菟丝子是一种专性寄生生物,这意味着它不能独立生存。与大多数通过光合作用获取能量的植物不同,菟丝子通过利用一种叫做吸根的结构将自身与宿主的脉管系统相连,从其他植物中吸取水和养分。目前可以证实,菟丝子除通过吸根从宿主植物吸取养分之外,还将微型核糖核酸(MicroRNA)传入宿主植物体内,这些核糖核酸可以非常直接地对宿主基因的表达进行调节。

菟丝子

菟丝子

微型核糖核酸是非常短小的核酸片段,是构成DNA和RNA的基本组成单位,可以与负责蛋白质编码的信使核糖核酸(messenger RNA)结合。通过直接阻断蛋白质的生成进程或是引发其他蛋白质将信使核糖核酸切碎成更小的片段,微型核糖核酸与信使核糖核酸的这种结合可以阻止蛋白质的生成。重要的是,信使核糖核酸的小型残留物此后能够像额外的微型核糖核酸一样发挥作用,与其他信使核糖核酸结合,进一步限制基因表达。

研究发现,菟丝子与宿主植物一接触,似乎就启动了这些微型核糖核酸的表达。真正有意思的是微型核糖核酸专门针对与植物抵御寄生生物有关的宿主基因。

植物在受到寄生生物攻击时会启动大量防御机制。其中一种机制与创口出现后的凝血机制类似,植物会产生一种阻止养分流向寄生生物附着点的蛋白质。菟丝子产生的微型核糖核酸针对的就是负责这种蛋白质编码的信使核糖核酸,从而有助于维持养分向这种寄生生物的自由流动。多种植物中负责这种阻断蛋白编码的基因都有着非常相似的基因序列。研究人员指出,菟丝子产生的这种微型核糖核酸所针对的这一基因序列区域在各种植物中的保有度都是最高的。因此,菟丝子很可能可以限制多种植物中的这种阻控蛋白,从而使其受到寄生生物感染。

研究人员将单独的寄生生物组织中的微型核糖核酸、单独的宿主植物组织中的微型核糖核酸以及两者结合体组织中的微型核糖核酸进行了基因排序。通过比对这三个来源的基因排序数据,他们得以确认进入到植物组织中的来自菟丝子的微型核糖核酸。他们之后测量了被菟丝子微型核糖核酸作为靶标的信使核糖核酸的数量,并发现,在菟丝子的微型核糖核酸出现后,宿主的信使核糖核酸水平下降了。

加上先前真菌和植物之间少量核糖核酸交换的案例,这项结果意味着这种跨物种基因调节可能更加广泛地存在于其他植物—寄生生物互作中。所以,了解这一情况后,研究人员希望最终能够利用基因编辑技术对植物宿主的微型核糖核酸目标区进行编辑,防止微型核糖核酸与这些基因结合并限制这些基因的表达。以这种方式进行基因工程培育植物对寄生生物的抗性能够减少寄生生物对农作物植株造成的经济损失。(来源:宾夕法尼亚州立大学  北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)