植物苗期发育过程中小分子RNA参与先天免疫系统建成的调控机制初探

Small RNA regulation of genetic material in living organisms is extremely important. The endogenous miRNAs can target key transcription factors that affect plant growth and development; siRNAs are also important parts in RNA silencing pathways during plant virus infection. Therefore, small RNA is indispensable regulatory factors both in plant growth and virus immunity. However, the molecular mechanism of small RNA regulating the early innate immune system development during plant growth is still poorly understood. Our previous studies show that tobacco miR6019/6020 could target N genes, and the expression of these miRNAs decreased during plant development, indicating the small RNA plays an important role between the plant growth and resistant mechanism. The objective of this project is to investigate the molecular mechanisms of small RNA regulation in the plant early antiviral defense system, through the research model "tobacco-TMV" and screening of candidate genes and miRNAs associated with the seedling immune system. This study will facilitate further understandings of plant early innate immune system establishment and provide useful clues for improving the knowledge on the mechanisms of small RNA regulatory network in plants.

小分子RNA对生命体中遗传物质的表达调控极为重要，植物miRNAs能够靶定关键转录因子从而影响植物的生长发育；siRNAs也是植株抗病毒RNA沉默途径中重要的组成元件，说明小分子RNA对于植物生长发育和病毒防御体系都是不可或缺的重要调控因素，但在植物早期先天免疫系统建立及发育过程中，小分子RNA的调控机制却知之甚少。本课题组在前期研究中发现，烟草miR6019/6020能够沉默烟草N基因，且该miRNAs表达量随着发育逐渐降低，暗示了小分子RNA在植物生长与抗病机制之间扮演着重要的调控角色。本项目拟以“烟草-TMV”作为抗病研究模型，揭示植物苗期先天免疫水平，并通过差异表达分析获得与抗病相关的候选基因和miRNAs，初步探索小分子RNA参与调控植物早期抗病毒防御机制的分子机理。该项目将拓展对植物免疫系统建成的认识，为完善小分子RNA调控网络的作用机制提供重要理论依据。

植物基因组编码了大量NLR（NB-LRR Receptor）基因参与介导ETI（effector triggered immunity）抗病反应，从而保护农作物抵抗多种病原物的侵害。同时，NLR基因常常会对植物体的健康产生消耗。利用miRNA（microRNA）以及其触发产生的phasiRNA（phased small interfering RNA）调控NLR 基因的机制能够降低植物体内发生的这种健康消耗，可以用来帮助人们更好的利用NLR 基因进行作物抗病遗传改良。然而，NLR 基因表达水平以及NLR 基因介导的免疫反应是否受到植物生长发育的调控目前还不清楚。在本研究中，我们首先在大数据的宏观水平发现，番茄和烟草中全基因组范围内的NLR 基因呈现随植物生长发育上调的表达模式；同时，靶定NLR 基因的miRNA及其触发产生的次生siRNA呈现出下调的表达模式。表面在茄科植物生长过程中sRNA对NLR 基因有重要的调控作用。接下来，我们通过TMV（tobacco mosaic virus）-N基因-miR6019/6020的作用机制从微观水平验证了miRNA在植物生长发育过程中对NLR 基因的调控作用。我们选取携带N基因的番茄（D51）和烟草（TG34）作为研究对象，发现当植物在6周时期，N基因介导的TMV抗性可以完全抵抗TMV的侵染，将其限制在接种叶；然而当植物处于1周和3周时期，接种TMV将产生系统性侵染并最终导致植株死亡。我们进一步发现，随着植物萌发后的生长发育，N基因转录本表达水平逐渐上升，而miR6019表达水平逐渐下降。分析N基因融合报告基因的转基因植株发现，由于miR6019/6020前体基因MIR6019/6020在转录水平受植物生长发育下调，同时miR6019/6020能够在转录后水平调控N基因，从而造成N基因的表达水平在植物生长发育过程中受到的上调。对过量表达MIR6019/6020的转基因植株接种TMV发现，miR6019剪切N基因所触发产生的phasiRNA也在调控N基因所介导的TMV抗病机制过程中发货重要功能。最终本项目的研究展示了在茄科植物生长发育过程中sRNA调控植物自身免疫系统的功能机制，研究成果发表SCI论文2篇。