面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

研究揭示油菜生長與免疫動態調節新機制

2019-12-18 微生物研究所 分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所
【字體:

語音播報

  1130日,Molecular Plant 雜志在線發表了中國科學院微生物研究所郭惠珊課題組與中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所上海植物逆境中心段成國課題組合作完成的題為A Brassica miRNA Regulates Plant Growth and Immunity Through Distinct Modes of Action 的研究論文,報道了在油菜中發現的一種22 ntmiRNA通過不同的機制動態調節油菜抗性與發育。

  植物在面臨病蟲害等逆境脅迫時,往往會以抑制正常生長為代價,消耗更多的代謝資源用于防御系統的激活以抵抗病原的侵染,該現象被稱為“生長與防御的權衡(tradeoff)”。因此,在作物育種中,如何協調生長與抗逆的平衡成為一個主要的挑戰。

  在植物的免疫機制中,免疫受體R蛋白識別病原效應蛋白誘發的免疫反應與小分子RNA介導的RNA沉默(包括抗病毒RNA沉默以及跨界RNAi介導的抗真菌機制)是兩種重要的防御途徑。

    如果在沒有病原侵染時,R蛋白持續高表達會誘發自體免疫(auto immunity)的發生而導致植物發育受到嚴重抑制。因此,植物體內存在一種控制R基因表達的反向調節機制。其中,miRNA介導的RNA沉默能夠在轉錄后水平控制R基因的表達水平,在植物自體免疫調節中發揮重要作用。miRNA對植物的生長發育的調控也非常重要。那么,植物中是否存在miRNA既調節生長發育又調控免疫抗性呢?如果還能應答病原的侵染,其分子機理的研究對作物育種的“生長與防御的權衡”將具有非常重要的指導意義和應用價值。

    油菜屬于十字花科蕓薹屬,在中國古代被稱為“蕓薹”,是一種適應性強、用途廣、經濟價值高、栽培歷史悠久的油料作物,在世界油料作物生產中產量僅次于大豆居第二位。油菜也是我國重要的油料作物和經濟作物,而在農業生產上,病毒是嚴重危害油菜生產的重要病原,如蕪菁花葉病毒(TuMV)。

  該研究發現油菜特有的一個22 nt miRNAmiR1885,可靶向TIR-NBS-LRR類型的R基因BraTNL1,提高BraTNL1的表達水平增強油菜對TuMV的抗性。結果提示,在非侵染條件下,miR1885介導BraTNL1的剪切,以維持本底水平的免疫活性。

  另外,miR1885靶向一個僅有TIR結構域的BraTIR1基因,miR1885介導BraTIR1的剪切并產生串聯排列的次級siRNA (phasiRNAs),其中一個phasiRNAphasiR130-4,能夠靶向沉默與開花和光合作用相關的基因BraCP24,表明BraTIR1是作為一種TASTrans-Acting Silencing)基因參與油菜開花調控即下調BraCP24促進油菜的花期轉變。

  有意思的是,研究人員發現miR1885的積累隨不同發育期而動態變化,在幼苗期維持低水平,花期達到峰值,在開花后又迅速降至很低水平,這反映了植物在未侵染情況下的幼苗期通過miR1885/BraTNL1模塊維持本底水平的免疫活性,同時通過miR1885/BraTIR1(phasiR130-4)/BraCP24模塊抑制植物的過早開花,促進營養生長。

  研究人員還發現,TuMV侵染誘導miR1885,通過phasiR130-4介導BraCP24的降解促進開花;精妙的是,油菜通過提高BraTNL1的表達應答TuMV的侵染,以補償miR1885對其介導的沉默抑制作用,使植物處于活躍的免疫狀態。與之相一致,過表達miR1885導致花期提前,果莢變小;下調miR1885的油菜則表現出晚花和果莢變大等發育表型。

  該研究首次揭示了植物miRNA通過不同機制同時靶向免疫受體R基因以及與發育相關的基因,動態調節植物免疫與發育,并響應病原的侵染。反映了植物在面對正常生長、免疫機制與病原侵染三者之間的互作時采取的一種整合應對策略。

  段成國和郭惠珊為該論文的通訊作者,微生物所博士研究生崔辰、汪晶晶和副研究員趙建華為該論文的共同第一作者。該研究得到中科院先導B項目和國家自然科學基金項目等的資助。

  圖1. miR1885動態調控油菜的生長發育與免疫。A. miR1885異位表達的甘藍型油菜生長發育表型。左圖為萌發后60天的油菜全株;中間圖為油菜的果莢(上)和花(下);右側圖為萌發后40天的油菜葉片。B. 不同生長時期的油菜葉片與油菜花中小RNA與靶基因的表達量。CmiR1885, phasiR130-4及其靶基因在不同生長時期油菜中的表達模式。藍色線條代表miR1885phasiR130-4的表達趨勢;紅色線條代表靶基因 BraTIR1, BraTNL1, BraCP24的表達趨勢。

  圖2. miR1885通過不同的作用方式對油菜的生長和免疫進行調控。A. 在自然生長狀態下,miR1885及其產生的phasiR130-4本底水平表達,維持油菜抗病基因的基礎抗性,保證光合作用相關基因BraCP24的表達。B. TuMV的侵染促進miR1885, phasiR130-4的產生,同時提高油菜抗病基因的表達,最終造成光合作用相關基因BraCP24的表達被抑制,促使油菜發育出現異常,提前開花。

打印 責任編輯:葉瑞優

掃一掃在手機打開當前頁

© 1996 - 中國科學院 版權所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

聯系我們 地址:北京市三里河路52號 郵編:100864

  • 金冠彩票-主页