小分子RNA介导的R基因调控网络之研究

Plant small RNAs, including micro(mi)RNA and small interfering (si)RNA, are ubiquitous regulatory non-coding RNAs in eukaryotes. They direct silencing machinery to target gene via base-paring with target RNA and induce transcriptional, or post-transcriptional, or translational repression of target gene expression. Resistance (R) genes belong to big gene families in plant, and they protect plants from devastating pathogens and pests by recognition of race specific effectors and triggering hypersensitive response. Solanacea plants are important model systems for R gene function and regulation and many well-known resistance genes, such Pto against Pseudomonas syringe pv tomato, N against tobacco mosaic virus, and Cf against Cledosporium fulvum, are first discovered from solanaceous plants. Our previous study showed that some miRNAs and siRNAs play a role in regulation of a range of R gene with known function, such as N, Cf and R1/2/3 against potato late blight, we named these small RNAs as R silencer. This project is proposed according the first two aims of this year’s key research program, particularly the identification, characterization and functional analysis of non-coding RNA gene, and biogenesis of non-coding RNA. This project will take the advantage of the recently published five solanacea genome data, in conjunction with multiple high through put sequencing technology and bioinformatics tools, to do genome wide identification and characterization of R silencer gene, to dissect R silencer mediated R gene regulatory network, and to analyze their biogenesis requirement.

植物小分子RNA，包括miRNA和siRNA，是真核生物中普遍存在的有着基因调控功能的非编码RNA。它们通过与靶基因的RNA互补配对在转录，转录后或翻译水平抑制基因的表达。抗病基因（R基因）则属于植物基因组中特有的很大的基因家族，它们大多通过识别病原微生物的致病因子触发过敏反应来抗病，是植物抵御病害入侵的有力武器。茄科植物是研究抗病基因功能和调控的重要模式植物，一些著名的抗病基因抗烟草花叶病毒的N和抗番茄叶霉病的Cf就是在茄科植物中发现的。前期的研究表明部分miRNA对一些抗病功能已知的R基因，如N和Cf等，有着调控作用，我们称之为R silencer。本研究项目拟围绕本年度重点支持的研究方向第一二方面展开，利用新发布的茄科植物的五个代表性的基因组数据，综合利用多种高通量测序技术和生物信息学分析技术，在基因组水平发掘鉴定R silencer，解析其介导的R基因调控网络，并研究其生成机制。

植物在环境中时刻面临着不同的病原微生物的入侵，为了应对这些威胁植物进化过程中产生了抗病蛋白 （NLR）介导的抗病机制。NLR蛋白介导的抗病反应具有很强的病原特异性。在进化过程中植物基因组积累了成百上千的NLR蛋白编码基因（简称NLR基因）。大量的抗病基因一方面给植物提供了各种保护，另一方面也给植物的发育造成了潜在的威胁。因此植物必须对抗病基因的表达进行严格的调控，以减小其对植物发育的不利因素。前期的研究中我们和领域内其他同行分别发表论文证实了植物miRNA对NLR基因具有普遍的调控作用。miRNA是真核生物细胞中普遍存在的通过与靶基因mRNA互补配对在转录后和翻译水平负调控靶基因表达的一类基因。其生成途径涉及到关键的双链核酸酶DCL，这类蛋白在植物中分为四种不同类型，以前报导的调控抗病基因的miRNA均由DCL1加工生成，是否有其他DCL参与这类miRNA的加工还不清楚。由于植物的不同的生长阶段对于抗病和生长的需求不一样，miRNA对抗病基因的调控在不同生长阶段是否有差异，也尚不明了。本项目针对该领域内的这两大问题，以茄科植物番茄和烟草为研究对象，全面挖掘了基因组中的抗病基因和调控他们的miRNA。通过对不同发育时期的核酸样品进行sRNA和mRNA的测序，发现了抗病基因的mRNA的表达量随着植物的发育而升高，而调控它们表达的sRNA表达量随植物的生长而降低的规律。我们进一步以烟草花叶病毒（TMV）、TMV抗病基因N和调控N的miR6019为模式体系，实验验证了植物在生长过程中通过转录调控miR6019从而实现苗期N基因低水平表达而成株期高水平表达的作用机制。这一研究表面植物在发育的不同阶段对生长和抗病性的优先性做出不同的选择，这一选择机制可以通过对调控抗病基因的miRNA的转录调控实现。该研究为合理利用野生资源的抗病基因进行抗病育种具有指导意义。通过都不同核酸沉默基因的突变体的小RNA测序，我们找到了DCL2和DCL4参与切割形成的RGS基因，丰富了小RNA对抗病基因的调控机制，为进一步研究抗病基因的调控机理打下了基础。