Molecular Plant：寄生植物與寄主間的臨界面上miRNAs是吸器上的秘密武器

今天介紹的是前兩天由中科院昆明植物研究所Wu Jianqiang發表的題為《miRNAs as a secret weapon in the battlefield of haustoria, the interface between parasites and host plants》的文章。

寄生植物獨立進化12或13次，占被子植物的1％左右。根據光合作用是否部分保留或完全喪失，寄生植物可分別分類為半寄生植物和全寄生植物。兼性寄生植物可以在沒有任何寄主的情況下存活和繁殖，而專性寄生寄生沒有寄主就不能完成它們的生命周期。所有的寄生植物都有獨特的多細胞器官——吸器。根據宿主寄生植物插入其吸器的位置，可將其分類為枝條/莖或根寄生植物。

最知名的寄生植物包括Striga、Orobanche和密切相關的Phelipanche以及Cuscuta，這些都是有害的雜草，在農業和園藝業中造成嚴重的產量損失。儘管來自不同植物寄生蟲的吸器具有巨大的形態差異，但它們都起寄生粘附和滲入宿主的物理附著作用，更重要的是，吸器輸導系統與宿主的輸導系統融合，允許寄生植物提取水分、營養物質甚至是大分子。

一、菟絲子

菟絲子是旋花科唯一的寄生植物屬，包括大約200種分布於所有溫帶和熱帶地區的物種，其中大部分（約75％）在北美和南美洲發現。大多數菟絲子種類仍然具有最小的光合能力，但它們被認為是全身寄生植物。菟絲子幼苗不具有子葉並且僅具有短暫的退化根。有趣的是，它們似乎能夠通過感測寄主植物釋放的揮發性物質來檢測相鄰寄主的存在。在與宿主接觸後，幼苗纏繞在主莖周圍並且最初的吸器在幾天內形成。從吸器錐體的尖端，類似於「菌絲」的結構在細胞外穿透宿主組織並與宿主脈管系統連接。此後，菟絲子幼苗開始獲得水分和養分，並迅速拉長初始吸器上方的部分，而下半部分不久便死亡。莖進一步伸長並分枝以圍繞主莖纏繞，形成越來越多的吸器。

二、吸器介導的大分子在寄主和寄生蟲之間的轉移

人們早就知道菟絲子可以從寄主植物身上獲得病毒，甚至將它們傳播給鄰居寄主（如果所有寄生植物都由相同的菟絲子連接）Haupt等人 （2001）發現菟絲子能夠從表達GFP基因的轉基因煙草植物中吸收GFP。最近，RNA-seq分析顯示數百（番茄）至幾萬（擬南芥）的轉錄物從宿主轉移至菟絲子，並且可以在宿主中檢測到類似數量的菟絲子unigenes。

三、從菟絲子到寄主傳導的miRNA

在植物中, 小RNA(sRNAs)，特別是 microRNAs和小干擾RNA(siRNAs) 是基因轉錄的強有力的調控者，它們在發育、應激反應和表觀遺傳學調控中起著關鍵作用。許多 siRNAs 和 miRNAs 可以擴散到相鄰的細胞和組織中, 甚至可以系統地移位。

在植物中, 這些移動 sRNAs 是調節細胞間細胞和組織間通訊以調節植物生理學的關鍵。有趣的是, sRNAs 也被發現在植物和致病真菌之間轉移, 在植物微生物相互作用中起著重要作用。還有一些證據表明 siRNA能在植物內易位。

在寄主植物萵苣和煙草中人工表達針對於寄生植物特異性靶基因的RNAi有效地壓制了寄生寄主。

MiRNAs是植物中研究最多的一類sRNAs。它們是由 DCL1 (RNase III 酶) 和在被載入到 RISC (RNA誘導的沉默複合體) 後，以同源依賴性的方式產生的。 miRNAs 引導切割或抑制其目標基因的翻譯。鑒於 siRNAs 可以從寄主到寄生蟲，miRNA 在寄主和寄生植物之間的運輸似乎很有可能, 不過直到最近才證實這一點。

利用sRNA測序技術，Axtell等分析了擬南芥/油菜和菟絲子吸器臨界面上的小RNA。作者發現了大量的sRNA基因座(幾乎1.4萬) 在臨界面中。由於寄主小RNAs的稀釋，幾乎所有sRNAs在臨界面上表現出的丰度降低。然而，76 個菟絲子 sRNA 仍在臨界面中上調。在這些 sRNAs 中，有 43 miRNAs。除了其中的一個，所有的 miRNAs 都是那些以前沒有在任何物種中報道過的新家庭的成員。

此外，這 43 miRNAs中，27miRNAs個是22nt。在植物中，以U起始的22-nt miRNAs 經常觸發phasiRNAs從他們的目標基因的積累。事實上,生物信息學分析、5"-RLM-RACE和qRT-PCR表明，在界面表達的6個擬南芥基因是由其中一些菟絲子miRNAs切割，觸發了隨後的phasiRNAs生成，並被miRNAs 和 phasiRNA下調錶達。

在擬南芥中，phasiRNAs 的合成需要 DCL4 和 RDR6 的作用。TIR1基因是上述6個擬南芥miRNA的其中一個的靶基因，在dcl4和rdr6突變體中，它的次級siRNAs的積累分別減少和完全消除，這表明菟絲子miRNAs利用寄主沉默機制產生 phasiRNAs。然而, 菟絲子在 dcl4 或 rdr6 突變體上的生長與野生型擬南芥的並無顯著差異，表明在宿主擬南芥中，菟絲子 miRNAs，而不是 miRNA 誘導的 phasiRNAs，在沉默靶基因中起主要作用。

對6個菟絲子 miRNA 的擬南芥靶基因進行突變，研究菟絲子在這些突變體上的生長。菟絲子在 SEOR1 和 AFB3 分別攜帶突變的 seor1 和 afb3-4 突變體上生長更好，而在其他4個突變體生長地則較小或與對照無異。SEOR1 蛋白位於韌皮部篩管元素 (Froelich 等, 2011)，seor1 突變體的分離葉片顯示糖的分泌增加 (Jekat 等, 2013)。

因此，可以想像，菟絲子已經進化出miRNAs，以沉默宿主 SEOR1, 從而獲得更多的糖。接下來的問題是，菟絲子 miRNA 武器是如何有效地對抗其他植物，因為菟絲子有廣泛的寄主範圍。在煙草中，已證實，菟絲子 miRNAs也導致TIR1 和 BIK1下調錶達。此外, 生物信息學分析表明，臨界面誘導的菟絲子 miRNAs 可在18種雙子葉植物中，至少可以降解BIK1、SEOR1、HSFB4、TIR1及其同系物中的一種基因。

這項工作很好地揭示，菟絲子已經進化出新穎的 miRNAs，可以在短距離內轉移到菟絲子胚乳到連接的宿主莖區。這些 miRNAs 能通過直接 miRNA 和間接 phasiRNA 介導的基因沉默誘導某些宿主基因的降解。因此, 在菟絲子和宿主之間, 除了已經發現的蛋白質 (豪普特 et, 2001)，基因 (Kim 等人, 2014)，次生代謝物 (Smith 等, 2016)，和信號分子 (Hettenhausen 等, 2017)，miRNAs 也能夠被轉導，並在在寄生過程中具有功能。

四、展望

鑒於有些 sRNAs 涉及植物對病原體和昆蟲的免疫力，需要探討菟絲子衍生 sRNAs 是否前往胚乳和寄主莖，甚至寄主的其他部分，如葉子和根部之間的介面，並改變宿主對病原體和昆蟲的免疫力。此外, 菟絲子特定的novel miRNAs 的演變尤為有趣。菟絲子的基因組與與之密切相關的植物基因組的比較可以揭示這些 miRNAs 的起源。根寄生植物是否使用類似的 miRNA 武器建立和維護寄生也很有趣且值得研究。

黑暗大邪神點評：通過這麼一篇類似評述的文章，我們能夠對菟絲子-寄主植物相互作用，產生一個初步的印象和概念。在相互作用中，有一些信息和物質的交流，比如蛋白、次生代謝物、基因、信號分子，以及miRNA。信息和物質交流的平台，就是寄生植物和寄主的臨界面，也就是吸器附著於寄主的那個位置。

首先，需要證實存在這樣的物質和信息的交換，存在miRNA的轉導。利用測序技術，測到了在寄主植物中，存在菟絲子的miRNA，而且是上調的。

其次，需要證實miRNA是行使功能的。利用生信分析、RACE、qPCR，證明了miRNA切割了寄主植物的靶基因，隨後觸發了phasiRNAs，進一步下調靶基因。

第三，需要進一步用處理組+對照組的思維，深入探究機制。

利用DCL和RDR突變體，抑制了phasiRNAs的產生。說明菟絲子利用了寄主的基因沉默系列組件，產生phasiRNAs。但是，沒有phasiRNAs，菟絲子照樣長得不錯，說明起關鍵作用的還是miRNA。

突變寄主植物的靶基因SEOR1，寄主植物的糖分增加了，菟絲子生長地更好了。說明，菟絲子已經進化出miRNAs，以沉默宿主 SEOR1, 從而獲得更多的糖。

第四，需要進一步推己及人，證實這個現象是廣譜的，而並非只針對菟絲子-擬南芥這兩種植物。因為菟絲子的寄主範圍是非常廣泛的。生信分析和已有的在煙草的研究，證實了確實這個現象是普遍的，並非單一的。

好，這麼四步，基本上可以對miRNA在菟絲子和寄主植物中的互作，有一個清晰的了解。

最後，我也有幾點展望和思考。

第一，正如文中提到，要明確寄主植物如何有效地使用武器（例如miRNA），抵禦寄生植物。

第二，現在已經有報道，植物-病毒、植物-真菌、植物-昆蟲之間，有miRNA的轉導和作用。抓住miRNA這個辮子，探究lncRNA或者circRNA是否也可以充當類似的使者，這是非常新沒有報道的。研究的方法大體與miRNA一致，一種情況，揭示lncRNA或circRNA先與miRNA發生關係（例如充當海綿），那就是在已有的成果上再進一步；另一種情況那是全新的機制，另起爐灶。

好了，今天就策到這裡！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！