miRNA是一类由基因转录生成的非编码RNA，可以被DCL（Dicer-like）剪切形成21-22nt的成熟型miRNA。与miRNA不同，siRNA需要先由RDR6（RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE6）形成长双链RNA（dsRNA），再被DCL剪切生成。miRNA和siRNA的基因互补链随后和AGO（ARGONAUTE）结合，识别并剪切其靶基因的mRNA 【1】。在植物中，miRNA和siRNA可以通过胞间连丝进行细胞间移动，也可以通过维管组织进行长距离运输。研究表明，miR399和miR156都可以通过韧皮部进行长距离运输【2】。在磷胁迫下，植物可以通过miR399下调降解酶PHO2来促进PHO1的表达，从而增强磷的吸收【3】；miR156可以下调SPL（SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE）的表达来抑制植物的幼成年转变。研究发现，sRNA除了在植物体内移动外，还可以在宿主植物及其互作的微生物（如病原菌）甚至寄生植物之间进行转运。然而，miRNA是否在环境中存在，是否可以被植物吸收并诱导转录后基因沉默（PTGS），仍然不清楚。2021年10月14日，Nature Plants在线发表了意大利圣安娜高等学院Pierdomenico Perata和农业生物与生物技术研究所Elena Loreti合作的研究论文 Exogenous miRNAs induce post-transcriptional gene silencing in plants。该研究通过巧妙的实验设计依次证实了：1）外源miRNA可以沉默靶基因，2）外源miRNA可以进行长距离运输，3）外源miRNA通过RNAi相关机制诱导PTGS，及4）植物可以通过分泌miRNA对邻近植物进行调控。该研究首先发现，在培养基中添加野生型或miRNA过表达植物的RNA提取物，可以抑制PHO2和SPL9的表达，且miR399或miR156过表达的RNA提取物表现更显著。为了排除上述结果是由于干扰了RNAi相关机制而产生的，作者构建了带有miR399靶序列的Fluc（Firefly luciferase）转基因植物（pPHO2:Fluc），并证实miR399过表达的RNA提取物可以下调Fluc的活性。此外，该研究显示在培养基中添加合成的miR156（ds-miR156）可以抑制幼苗根的生长（与miR156a过表达的表型一致），并下调根中SPL3和SPL9的表达（Figure 1）。同样，合成的miR399（ds-miR399）也可以抑制pPHO2:Fluc转基因植物中Fluc的活性。Figure 1, 外源ds-miR156处理影响了根形态和SPL表达为了确认外源miRNA是否可以进行长距离运输，研究人员用Cy3荧光标记了miR399,并用它分别处理标记韧皮部的pSUC2:YFP和标记木质部的pS18:YFP转基因植物。结果显示，miR399和韧皮部的YFP共定位，表明它可以通过韧皮部进行长距离运输（Figure 2）。Figure 2, 外源ds-miR399的长距离运输为了进一步研究外源miRNA的作用机制，研究人员首先构建了带有miR399靶序列的转基因原生质体（pUBQ10:PHO2-UTR–Fluc），并证实miR399过表达的RNA提取物可以显著下调Fluc的活性。同时，通过5′-RACE（5′-rapid amplification of complementary DNA ends）可以检测到PHO2的剪切物。这些结果表明，外源miRNA可以通过RNAi机制生成次级siRNA，并诱导相关基因的PTGS。miRNA生成次级siRNA需要AGO1和RDR6，该研究证实，外源miR399（miR399的RNA提取物或ds-miR399）无法在ago1或rdr6突变的原生质体抑制Fluc的活性（Figure 3）。通过pPHO2:Fluc转基因植物和ago1或rdr6突变体的杂交，该结果在植物体内得到了进一步证实。Figure 3, 外源miR399通过AGO1和RDR6诱导PTGS既然外源miRNA可以被植物利用，那么植物分泌的miRNA能否调控邻近植物的基因表达？该研究证实了miR399过表达植物可以在液体培养基中分泌miR399d；通过让野生型植物和miR399过表达植物生长在同一液体培养基中，研究人员发现野生型植物的PHO2表达也被下调了。当pPHO2:Fluc转基因植物和miR399过表达植物一起生长时，PHO2 和Fluc的表达被同时下调了。此外，用35S:ami-Fluc过表达植物（人工设计的Flue的miRNA）共生长，也可以抑制Fluc的活性，并下调PHO2 和Fluc的表达；表明ami-Fluc进入pPHO2:Fluc转基因植物后，可以利用带miR399靶序列的Fluc生成次级siRNA并下调PHO2的表达。与此类似，miR156过表达植物也可以下调共生长的野生型植物中SPL3和SPL9的表达（Figure 4）。Figure 4, miR156过表达植物可以下调共生长的野生型植物中SPL基因的表达综上所述，该研究发现植物可以分泌miRNA，并且分泌量高的植物可以通过PTGS调控邻近分泌量低的植物中的基因表达；从而证实了miRNA可以作为植物间通讯的信号分子。这样的机制有利于植物群体对环境变化进行同步响应。
参考文献：
[1] Borges, F. & Martienssen, R. A. The expanding world of small RNAs in plants. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 16, 727–741 (2015)
[2] Bhogale, S. et al. MicroRNA156: a potential graft-transmissible microRNA that modulates plant architecture and tuberization in Solanum tuberosum ssp.andigena. Plant Physiol. 164, 1011–1027 (2014).
[3] Bari, R., Pant, B. D., Stitt, M. & Scheible, W. R. PHO2, microRNA399, and PHR1 define a phosphate-signaling pathway in plants. Plant Physiol. 141, 988–999 (2006).
https://doi.org/10.1038/s41477-021-01005-w
