农业寄生虫控制寄主植物的基因

Dodder是一种寄生植物，每年对美国和世界范围内的作物造成严重破坏，可以使宿主植物中的基因表达沉默，从中获得水分和养分。这种跨物种基因调控，包括有助于寄主植物防御寄生虫的基因，从未在寄生植物中看到过。了解该系统可以为研究人员提供一种方法来设计植物对寄生虫的抵抗力。描述包括宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚理工大学科学家在内的团队研究的论文将于2018年1月4日发表在“自然”杂志上。

宾夕法尼亚州立大学生物学教授，该论文的作者Michael J. Axtell说：“D丝子是一种专性寄生虫，意味着它不能独立生存。”“与通过光合作用获得能量的大多数植物不同，d丝子通过使用称为haustoria的结构将自身连接到宿主血管系统来吸走水和来自其他植物的营养物。我们能够证明，除了从饲料中流入d丝子的营养素之外。宿主植物通过haustoria，dodder将microRNA传递到宿主植物中，以非常直接的方式调节宿主基因的表达。“

微小RNA是非常短的核酸 - DNA和RNA的材料 - 可以与编码蛋白质的信使RNA结合。microRNA与信使RNA的结合阻止了蛋白质的产生，无论是通过直接阻断该过程还是通过触发将信使RNA切割成较小片段的其他蛋白质。重要的是，信使RNA的小残余物可以像其他microRNA一样起作用，与信使RNA的其他拷贝结合，引起进一步的基因沉默。

弗吉尼亚理工大学的植物病理学，生理学和杂草科学教授，该论文的另一位作者詹姆斯·韦斯特伍德说：“当它与宿主植物接触时，Dodder似乎开启了这些microRNA的表达。”“真正有趣的是，microRNA特异性地靶向参与植物防御寄生虫的宿主基因。”

当植物受到寄生虫的攻击时，它会启动许多防御机制。在这些机制中的一种，类似于切割后的血液凝固，植物产生一种蛋白质，其将营养物流凝结到寄生虫的部位。来自d丝子的microRNA靶向编码该蛋白质的信使RNA，然后有助于维持寄生虫的营养物质自由流动。编码这种凝固蛋白的基因在许多植物物种中具有非常相似的序列，并且研究人员表明，来自d丝子的microRNA靶向基因序列的区域，这些区域是植物中最高度保守的。因此，d丝子可能使这种凝结蛋白沉默，从而寄生在各种各样的植物物种中。

研究人员对单独寄生虫，单独寄主植物和两者的组合的组织中的所有microRNA进行了测序。通过比较来自这三个来源的测序数据，他们能够识别来自进入植物组织的d丝子的microRNA。然后，他们测量了d丝子microRNA靶向的基因的信使RNA的量，并且当存在d丝子microRNA时，他们发现来自宿主的信使RNA水平降低。

“除了之前真菌和植物之间小RNA交换的例子，我们的结果意味着这种跨物种基因调控可能在其他植物 - 寄生虫相互作用中更为普遍，”Axtell说。“因此，有了这些知识，我们的梦想就是我们最终可以使用基因编辑技术来编辑宿主植物中的microRNA靶位点，防止microRNA结合并沉默这些基因。以这种方式对寄生虫进行工程抗性可以减少寄生虫对农作物的经济影响。“