全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 6期
内源小 RNAs在植物病原体抗性反应中的作用
谢兆辉
(德州学院生物系 ,德州 253023)
　　摘　要 : 　内源小 RNA s是动植物基因表达的重要调节分子 ,它们可以通过指导 mRNA的降解、抑制翻译或染色体修饰等机
制 ,在转录水平或转录后水平或两个水平沉默基因。内源小 RNA s在植物生长发育和生物和非生物胁迫适应反应中具有重要作
用 ,其中 3种内源性的小 RNA s参与了植物基本免疫反应和对病原体的特异性免疫反应。内源小 RNA s的发现为植物抗菌和抗
病研究开辟了新思路 ,就这几种内源性的小 RNA s的产生和它们在植物抗病原体反应中的作用做一概述。
关键词 : 　微小 RNA s　长小干扰 RNA s　自然反义转录小干扰 RNA s　植物　病原体
The Role of Endogenous Small RNAs in Defense to Plant Pathogen
Xie Zhaohui
(Departm ent of B iology, Dezhou University, Dezhou 253023)
　　Abstrac t: 　Small RNA s which have recently been recognized as the important regulator of gene exp ression in both p lants and ani2
mals, can silence genes either at the transcrip tional or at post2transcrip tional level or both, by mediating mRNA degradation, translational
inhibition, or chromatin modification1 Small RNA s p lay a vital role in the p lant development or adap tive reponses to bitic or abitic stress1
Three kinds of endogenous small RNA s have been found to hold broad imp lication in participatng in basal defence and race2specific resist2
ance to biotic stress1 In this review, current understanding of biogenesis and regulatorymechanism s of these three small RNA swas indica2
ted, important role of which in disease resistance and defense responses to pathogen in p lants was highlighted1
Key wo rds: 　m iRNA　lsiRNA s　nat2siRNA s　Plants　Pathogen
收稿日期 : 2008211217
作者简介 :谢兆辉 (19682) ,男 ,汉族 ,山东茌平 ,硕士 ,研究方向 :玉米抗性生物学 ; E2mail: xiezhh0523@1631com
　　由于植物不具有移动性 ,更容易受到各种不利因
素的影响 ,其中病原微生物的攻击可以对植物个体或
群体造成严重的损伤 ,植物在进化过程中形成了复杂
免疫机制 ,以减轻伤害维持正常生长 [ 1 ]。植物的这种
免疫机制可以分为两类 : (1)基础抗性 ,又称为非寄主
抗性 ,是植物识别来自病原体的相关分子模式
(PAMPs)或微生物的相关分子模式 (MAMPs)所引发
的免疫反应 ( PTI) ,基于 PAMPs或 MAMPs的病原微
生物识别、防御反应和先天形成的防御结构是植物基
础抗性的基础 [ 2 ]。 (2)基因对基因抗性 ,包括是通过
寄主的抗性基因识别病原体的无毒性基因 ( avr)引发
的 ,如病原体效应因子 ( effector)引发的免疫反应
(ETI) [ 3 ] ,往往伴随着细胞程序性死亡或过敏反
应 [ 4 ]。原来植物逆境条件下的基因表达研究主要集
中在转录水平 ,随着众多具有调节作用的小 RNA s的
发现 ,人们认识到转录后水平的调节也起着非常重要
的作用 ,尤其内源小 RNA s对转录后水平的调节。这
些内源小 RNA s的发现 ,丰富了基因表达的调控机
制 ,展现了细胞内基因表达的全方位性、多层次性和
网络性 ,同时也是对中心法则的补充。
内源小 RNA在植物病原体抗性反应中具有重
要作用 ,到目前为止 ,在植物中已经发现了至少 5种
内源小 RNA s,包括微小 RNA s (m iRNA s)、反式作用
的小干扰 RNA s ( ta2siRNA s)、天然反义转录小干扰
RNA s( nat2siRNA s)、异染色体小干扰 RNA s ( hc2siR2
NA s)和长小片段干扰 RNA ( lsiRNA s) ,其中 3种已
经实验证明参与植物的抗菌反应 (表 1)。
1　M iRNA在植物病原体的抗性反应中的作用
M iRNA由 RNA聚合酶 II转录产生 ,具有 5′帽
子和 3′多聚腺苷酸尾巴的 p ri2m iRNA,被核酸酶
2009年第 6期 谢兆辉 :内源小 RNAs在植物病原体抗性反应中的作用
DCL1剪切成 p re2m iRNA,随后被 DCL1剪切成 22个
核苷酸长度的 m iRNA: m iRNA 3 双链 ,在转运蛋白
HST(HASTY)协助下 ,从核内运输到细胞质 ,招募
AGO蛋白形成 R ISC复合体 ,其中一条单链保留在
这一复合体中 ,导致靶植物 mRNA的降解 ,翻译抑
制或 DNA甲基化。现在越来越多的证据表明 m iR2
NA抑制翻译过程的在植物中也非常普遍 [ 5 ]。m iR2
NA s影响植物很多生理过程 ,如发育转换、叶生长、
器官极性、生长素信号、RNA代谢和植物逆境反应。
推测动物中超过三分之一的基因受到 m iRNA影响。
生长素是典型的植物抗性反应负调节因子 ,许多
病原体可以通过自我产生生长素 ,或者操纵宿主的生
长素合成 ,影响宿主的正常发育。作为回应 ,植物可
以通过抑制生长素的信号传导 ,增加自身抗性 [ 6 ]。试
验发现 m iR393[ 7 ]、m iR160和 m iR167[ 8 ]都可以通过影
响生长素信号系统 ,增强植物的抗菌能力 (图 1) ,其
中 m iR393是拟南芥中第一个鉴定出的参与植物抗菌
反应的内源小 RNA s。m iR393的目标基因是植物生长
素的受体 TIR1,AFB1, AFB2和 AFB3, 它们的 mRNA s
都可以被 miR393特异性的剪切 [ 9 ] ,其中 TIR1是泛素
连接酶复合体 E3的重要的组分 ,可以导致生长素信号
通路中负调节蛋白的降解。鞭毛蛋白 ( flg22)是病原体
重要的 PAMPs,感染 flg22的拟南芥 ,其 m iR393在感染
后的 20～60 min增加了 2倍 ,而感染失活 flg22的对照
株中 miR393没有变化。在过量表达 AFB1的拟南芥
中 ,接种毒性强的 P1syringae pv1 tomato (pst)DC3000菌
株 ,含菌量则比对照要高出 20倍。miR160和 m iR167
也在 pst DC3000处理时表达量也大幅度提高 ,指导
ARFs mRNA的剪切。总之 m iR393、miR160和 m iR167
表达上升都会影响生长素信号 ,影响植物对病原体的
敏感程度 ,推测 miRNA对生长素信号通路的抑制 ,可
能是植物基本防御系统所必需的。
图 1　m iRNA s的作用模式
另外 , m iR393是胁迫反应中出现频率最丰富的
mRNA ,如低温、干旱、高盐、脱水和脱落酸 (ABA )等
都可以诱导其表达 ,说明 m iR393可以通过抑制生
长素信号通路参与植物多种胁迫适应性反应。拟南
芥中还存在一些与生长素信号无关的 m iRNA可能
也参与植物的病原体抗性反应 ,如 m iR 825、m iR168
和 m iR162,表达量均在 pst DC3000感染时下降 [ 10 ]。
其中 m iR168和 m iR162的目标基因分别是 AGO1
和 DCL1,后两者为 m iRNA 生物合成所必需 ,推测
m iR168和 m iR162的表达下降 ,有利于更多 m iRNA
的合成并参与植物的抗性反应。m iR825目标蛋白
可能是免疫反应的正调节因子。
表 1　部分已知的与植物抗病原体有关的小 RNA
植物 m iRNA 目标基因 目标蛋白 参考文献
拟南芥 m iR393 TIR1, A FB 2, AFB 3 TIR1, AFB2, AFB3 [ 7 ] [ 9 ]
拟南芥 m iR167 ARF6, AR F8 ARF6, ARF8 [ 8 ]
拟南芥 m iR160 ARF10, ARF16, AR F17 ARF10, ARF16, ARF17 [ 8 ]
小立宛藓 m iR1239 A mucin2like p rotein [ 11 ]
小立宛藓 m iR16023 Pathogenesis2related p rotein [ 11 ]
小立宛藓 m iR408 Electron transporter [ 11 ]
葡萄 m iR171e RGA1 [ 12 ]
葡萄 m ir166a OLP p recursor [ 12 ]
拟南芥 nat2siRNAATGB2 PPRL PPRL [ 18 ]
拟南芥 A tlsiRNA21 A tRAP A tRAP [ 19 ]
拟南芥 A tlsiRNA22 IR T2 IRT2 [ 19 ]
31
生物技术通报 B iotechnology　B u lletin 2009年第 6期
　　除此之外 ,小立宛藓 m iR1239的目标基因是一
个带有糖被的粘蛋白 ,这种糖蛋白对微生物浸入非
常重要 ; m iR16023和 m iR408则分别通过影响细胞
内的致病蛋白或电子传递体参与植物防御 [ 11 ] ;杨树
中的 130个 m iRNA70%参与抗性反应 ; m iR171e的
目标基因是葡萄枯萎病抗性蛋白或其他相关蛋白
等 [ 12 ]。M iRNA除了参与植物对细菌的抗性反应之
外 ,也可以参与植物对真菌和昆虫的抗性反应 ,如松
树 ( P inus spp1)感染梭形锈病后 ,一些 m iRNA s表达
与梭形锈病的发病程度有关 ,推测这些 m iRNA s参
与了植物对真菌类病原体的抗性反应 [ 13 ]。RDR1
在 m iRNA生物合成中起着重要作用 ,如果沉默野生
烟草中 RDR1,会大大增加植物对食草昆虫 ,如烟草
天蛾 ,盲蝽 ,甲虫和蝗虫攻击的敏感程度 [ 14 ]。由此
推测 m iRNA s在植物防御有害昆虫方面也起作用。
M iRNA s有自己独立编码基因 ,且在细胞内具
有一定的丰度 ,其作用涉及细胞生命活动的众多方
面。很多实验都证明了 mRNA s是细胞基础免疫抗
性反应的组成成分 ,并在基础免疫反应中起着主要
作用 ,这并不限于植物 ,在人类 [ 15 ]和按蚊 [ 16 ]也得到
了相同的结论。
2　na t2siRNA在植物病原体的抗性反应中
的作用
Nat2siRNA s来自自然反义转录物 ( NATs)。
NATs是两个 RNA分子的重叠片段 ,最早在病毒和
原核生物中发现 ,后在真核生物中也检测到。目前
已经发现的 nat2siRNA都与植物抗性有关 ,如第一
个发现的 nat2siRNA s参与拟南芥的与盐胁迫反
应 [ 17 ]。Nat2siRNA2ATGB2是第二个发现的 nat2siR2
NA s。A TGB 2基因和 PPRL 基因的转录物互补区域
形成双链 ,在 po IVa、DCL1、RDR6、HEN1、SGS3 和
HYL1等因子作用下形成 22 nt的 nat2siRNA2ATGB2
(图 2 ) , 后者可以沉默 PPRL , 提高植物抗菌能
力 [ 18 ]。PPRL 编码的 PPRL 蛋白是植物抗病基因
R PS2和 NDR1的负调控因子 ,削弱 RPS2介导的植
物抗病能力。这种由抵抗细菌感染而诱导产生 nat2
siRNA的现象 ,为研究植物在分子水平抵御外来病
原体侵犯的防御机制提供了新途径。在已发现的 5
种植物内源 siRNA s形成过程中 ,都经历双链 RNA
前体 (或者呈折叠结构的单链 RNA ) , NATs结构无
疑可以为双链 RNA合成提供完美前体 ,现在已经发
现了多种 NATs来源的 siRNA s。
(1)正常生长条件 ; (2)携带效应因子 avrRp t2的单胞菌处理条件下
图 2　na t2siRNA2ATG2B2 的作用模式
3　 lsiRNA s在植物病原体的抗性反应中的
作用
L siRNA 中 A tlsiRNA21 和 A tlsiRNA24 也来自
NATs, A tlsiRNA21可以被 Pst ( avrR pt2 )诱导产生 ,来
自 A t2g31880 /A t2g31890 形 成 的 NAT 结 构。
A t2g31880编码受体蛋白激酶 (RL K) , A t2g31890编
码一种蛋白质中的 RNA结合结构域 ,两者分别定名
为 SRRL K 和 A tRA P。 SRRLK 的 表 达 受 到 Pst
( avrR pt2)的诱导 , SRRL K和 A tRA P的转录物可以形
成 NATs,在 DCL1、DCL4、HYL I、HST、AGO7、RD P、
SD E3、pol IV 等因子参与下形成 A tlsiRNA 21,通过降
低抗性反应的负调节因子 A tRA P的表达 ,赋予拟南
芥的抗 Pst ( avrR pt2)能力 [ 19 ]。其它小 RNAs多通过
DNA甲基化或染色体重塑在转录水平沉默基因 ,或
m RNA降解、翻译抑制在转录后水平沉默基因。但
是 , A tlsiRNA 21通过去除 m RNA 5′端帽子方式沉默
A tRA P,因为除 m RNA 5′帽子结构以后 ,容易被 5′～
3′的外切核酸酶降解 ,相关研究发现发现外切核酸
酶 XRN 4参与了 A tRA P的降解。这种不依赖对 m R 2
NA s的剪切 ,而通过去除腺苷酸或帽子结构 ,再利用
外切核酸酶降解的方式动物中也有发现。A tlsiRNA s
41
2009年第 6期 谢兆辉 :内源小 RNAs在植物病原体抗性反应中的作用
的发现为植物小 RNA 世界又增加了新成员 , A tlsiR 2
NAs可能还有其他作用 ,彻底了解这类小 RNA的产
生机制和生物学功能还需要进一步的研究。
4　结语
除了上述 3种内源 siRNA s外 ,其它的内源 siR2
NA s是否也参与参与了植物抗菌反应还不清楚。Hc2
siRNA可以使 DNA的甲基化 ,病原体感染有时也会
影响 DNA的甲基化 ,最近还发现失活 hc2siRNA合成
所必需的 AGO4,使拟南芥对有毒的假单胞杆菌 ( P1
syringae)高度敏感 [ 20 ] ,但是 hc2siRNA在上述反应中
的作用还需要进一步探讨。另外 ,微生物病原体不仅
可以通过改变 PAMPs躲避 PTI[ 21, 22 ] ,而且也进化出
了抑制 m iRNA s的机制 ,如 P1syringae的效应因子可
以抑制 m iRNA s的生物合成、稳定性和活性 [ 23 ]。最近
Shivap rasad等 [ 24 ]发现拟南芥感染花椰菜花叶病毒
(Cauliflower mosaic virus, CaMV )后 , CaMV可以阻断
ta2siRNA s形成途径中 DCL4催化形成 21 nt ta2siR2
NA s过程 ,造成 tas2iRNA s前体的积累 ,但 Tagam i
等 [ 25 ]在感染烟草花叶病毒的拟南芥中没有发现 ta2
siRNA的表达增加。现在还不清楚 tas2iRNA是否与
植物病毒抗性有关 ,推测 ta2siRNA可能与一些特定
的病毒抗性有关。DCL4也参与 lsiRNA s的生物合
成 ,但 CaMV 是否影响 lsiRNA s形成还需要进一步
研究。
与外源性 siRNA s介导 RNA i直接发挥抗性作
用不同 ,内源 siRNA s的目标基因所编码的多是宿主
持续表达的抗性反应负调节蛋白。从能量角度来
讲 ,正常生长条件下负调节蛋白的存在 ,耗费了细胞
的能量 ,不利于细胞生长。那么生物进化过程中 ,这
类抗性反应的负调节因子依旧存在 ,其原因可能是
这些负调节因子不仅在植物胁迫反应中发挥作用 ,
而且也对植物正常生长条件下的生长有作用。如
m iR393通过降低生长素信号系统 ,发挥增加植物抗
菌的作用 ,但正常生长条件下的植物生长也需要生
长素 ,如果 m iR393目标基因发生突变 ,会而引起植
物与生长素相关的生长和发育异常。其次 ,抗性反
应负调节因子活性下降 ,持续表达的抗性反应往往
会降低植物的适合度。如 SNC1是一个位于抗病信
号途径上游的 R2gene,能够持续激活植物的抗病机
制 ,但过量表达的 SNC1会造成植株矮化和叶子卷
曲等表型 [ 26, 27 ]。再次 ,负调节因子持续表达可以使
相互联系的正负调节反馈调节形成一个网路 ,更有
利于调节。最后 ,胁迫反应时负调节蛋白的降解 ,也
可以为正调节蛋白提供更多原料 ,有利于正调节蛋
白的快速合成 ,以增加植物抗性反应的高效性。
内源小 RNA s介导的植物抗性反应具有很多优
点 ,如小 RNA s合成无需翻译 ,合成所需时间短 ,可
以快速作用于存在的 mRNA或蛋白质 ;小 RNA s的
调节主要是 mRNA s的剪切或翻译抑制 ,其中翻译抑
制是一个可逆的过程 ,这种可逆变化可以在很短的
时间 ,比起转录从抑制到激活要快的多 ,非常有利于
植物在胁迫解除后迅速恢复正常生长 ;更为重要的
是与常用的有机农药相比 ,这种抗菌机制在生产实
践中的应用 ,更加高效环保。内源小 RNA s的发现
为植物抗菌和抗病研究开辟了新思路 ,也提供了新
的操作平台。现在 ,内源 siRNA s已经被开发用于控
制病毒、细菌、真菌和有害昆虫对重要农作物的侵
袭。例如 ,通过改变拟南芥 m iR159前体获得的转
基因拟南芥能够分别特异抵抗 TYMV和 TuMV病毒
感染 ,且这种抗病毒能力还能够遗传 [ 28 ] ,同时也有
人在尝试利用人工 m iRNA s用于植物的抗病毒作
用 ,并且取得了一定的效果 [ 29 ]。
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