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miRNA是一类长度在21-24个碱基的小分子RNA,广泛存在植物组织中。它是植物中一个重要的基因调控机制,miRNA基因沉默途径中的重要组成部分。它们通过与AGO及其它蛋白的作用,形成具有攻击功能的miRNA基因沉默复合体(miRISC),利用其本身的碱基互补功能,miRISC可以对它们的目标基因的mRNA进行剪切降解、翻译抑制等作用,从而达到对目标基因表达的调控目的。miRNA基因沉默作用是植物自身进行功能调控和抵御外来威胁的有效方法。
目前发现的植物miRNA有几十个家族,它们的功能多种多样,其中不仅有植物体形态形成,更包括了叶的发育、花的形成、组织分化和器官的形成、水分和矿物质的转运、小RNA代谢调控以及环境胁迫应答等多方面的作用。可以说,植物大量miRNA家族具有庞大而复杂的功能体系。在植物的不同发育时期、不同的环境条件下,miRNA的表达会有较大的差异。而在植物的不同组织中,各个miRNA家族又各自发挥着自己的独特功能,形成较大的表达差异。因此,要对植物miRNA途径进行了解,就不得不考虑到植物各发育的阶段下、植物所处的不同环境中以及特异性的组织中的miRNA代谢水平。
近年来,通过病毒对植物的侵染来研究植物的小RNA代谢过程的研究越来越多,人们逐渐地意识到,利用病毒作为一个外来胁迫因子来对植物生长产生干扰,然后利用植物与病毒之间的相互作用关系,来研究植物和病毒小RNA代谢过程是一种较为新颖有效的了解miRNA作用方式和植物抗病机制的一种实验策略。
当被病毒侵染时,植物自身的siRNA基因沉默途径剪切和抑制病毒基因组的复制和表达,为应对植物这一防御机制,病毒进化出一套反防御策略。该策略以沉默抑制子为主体,针对植物siRNA基因沉默途径进行攻击。然而,由于siRNA基因沉默途径和miRNA基因沉默途径具有某些共同的生理生化过程,miRNA代谢过程也同样受到病毒的干扰。miRNA不能行使其正常的生物学功能,最终导致植物在生理功能上发生异常,植物的病毒侵染症状也随即出现。
黄瓜花叶病毒(Cucumbe.mosai.virus,CMV)和番茄不孕病毒(Tomatoasperm.virus,TAV)是雀麦花叶病毒科(Bromoviridae)黄瓜花叶病毒属(Cucumovirus)的典型成员。CMV和TAV对植物均具有较强的侵染作用,CMV引起的番茄病毒病十分普遍和严重,已经成为影响番茄产量和品质的最主要病害之一。TAV与CMV具有相近的基因组结构,在侵染方式等方面与CMV具有较大的相似性。它们所共同具有的2b蛋白已被确定是典型的沉默抑制子,是植物侵染过程中的主要致病因子。通过观察这两种病毒侵染植物时的寄主症状,检测miRNA和miRNA靶基因的表达量,人们可以对miRNA在植物生理功能调节中的作用进行深一步的了解。
本实验中,我们首先利用常用的3-RACE和克隆的方法对番茄中可能存在的miRNA的靶基因mRNA序列进行了测序验证。得到了miR167的靶基因ARF8的序列和miR168的靶基因AGO1的两个序列。再选用不同毒力、不同症状的CMV株系和TAV侵染番茄,利用stem-loop荧光定量RT-PCR分析了三个不同侵染时期,四个不同组织miRNA及其5条靶基因mRNA的对病毒侵染的响应,通过对数据的分析表明,对于miRNA及其靶基因mRNA的表达量:1)寄主植物不同的组织中的表达量有明显差异;2)不同病毒侵染植物时造成的表达量差异因所侵染的病毒不同而有所不同;3)表达量还因寄主被侵染病毒的时间长短而有所差异。
以上结果表明,病毒对寄主miRNA调控途径对影响具有组织特异性,不同病毒对miRNA调控途径对影响程度也有差别。这些都向我们说明了一个普遍存在于植物与病毒的问题:病毒通过影响寄主miRNAs调控途径来干扰寄主功能基因的表达,参与影响寄主症状的和影响寄主正常发育和形态建成。
通过以上研究,我们分析了病毒侵染后寄主不同组织中miRNAs及其靶标mRNAs对表达量变化,探讨了不同病毒与寄主互作过程中,寄主miRNAs调控途径的改变和影响。这其中所表现出的现象和规律与病毒对寄主防御机制的破坏、miRNA及其靶标mRNA的时间.空间特异性表达、特定miRNA的生物学调控功能密切联系。这些研究结果为人们探讨病毒与寄主对互作提供了新的着眼点,也为人们研究植物生理功能的调控机理提供了有效的研究手段。