miRNA作为根际植物与微生物的相互作用关键媒介

miRNAmiRNA 作为根际植物与微生物的相互作作为根际植物与微生物的相互作 用关键媒介用关键媒介 导读导读 微生物在植物发育，微生物在植物发育，营养和抗逆性方面非常重要营养和抗逆性方面非常重要，在共生有机体概念下，这种重要性促使科研人 员对植物与微生物相互作用有了更全面的认识。植物微生物群落的结构通常被描述为宿主驱动的，尤 其是在根际中，微生物群落由不同的根脱落物决定。逐渐地，这种观念开始消失，并被植物和微生物 共同塑造植物微生物群的观念所取代。 通过共同进化， 植物和微生物建立了跨界的通讯渠道。 在本文， 作者提出作者提出 miRNAmiRNA 是根际中植物与微生物相互作用和微生物群落形成的关键媒介是根际中植物与微生物相互作用和微生物群落形成的关键媒介。此外，作者建议，作作 为基于微生物菌剂的通常不成功策略的替代方法，为基于微生物菌剂的通常不成功策略的替代方法，miRNAmiRNA 可作为一种有前途的工具，可用于新型共生可作为一种有前途的工具，可用于新型共生 有机体工程有机体工程。 主要内容主要内容 1 1通过通过 miRNAmiRNA 在根际进行跨界通讯在根际进行跨界通讯 与植物相关的微生物对于植物至关重要：它们在植物发育，营养和对各种胁迫的抵抗力中 具有至关重要的作用。值得注意的是，根际提供了一个多样的环境，其中与植物密切相关的各根际提供了一个多样的环境，其中与植物密切相关的各 种微生物群落（包括有益植物的微生物）大量存在种微生物群落（包括有益植物的微生物）大量存在。植物及其相关微生物共同构成一个协调单植物及其相关微生物共同构成一个协调单 元，称为共生有机体元，称为共生有机体 。为了保持这种联系的协调，有必要在微生物群落与植物内部以及它们之 间进行某种形式的调节。 目前，关于根际微生物群落的形成和组成动态的了解很少。通常认为， 植物通过其根脱落物，尤其是其根系分泌物的影响来选择其微生物伙伴。但是，这种单向选择 开始受到质疑。的确， 植物植物- -微生物共生有机体的协同进化表明存在双向通讯，尤其是根际微微生物共生有机体的协同进化表明存在双向通讯，尤其是根际微 生物群落的形成生物群落的形成 。这些群落的组成和功能受到各种分子和信号的调节。在过去的几年中，作为 跨界通讯的媒介，人们对小RNA（sRNA，背景图 1），尤其是 miRNA 的兴趣日益增长。已有研 究表明， 通过胞外囊泡（通过胞外囊泡（ EVsEVs）的运输，哺乳动物宿主）的运输，哺乳动物宿主miRNAmiRNA 和膳食植物和膳食植物 miRNAmiRNA 通过调节细菌通过调节细菌 基因表达和物种丰度来调节肠道菌群基因表达和物种丰度来调节肠道菌群。就动物肠道菌群和植物根际菌群之间的共性而言，结合 其在共生有机体营养和健康中的关键作用以及RNA“语言”的普遍性， miRNA 在植物 -根际微生 物群落跨界相互作用中的意义似乎是合理的，但未被充分研究。 背景背景 1 1：植物和微生物小：植物和微生物小RNARNA 概述概述 植物产生各种植物产生各种 sRNAsRNA，每种，每种 sRNAsRNA 都能通过不同的沉默途径调节基因表达都能通过不同的沉默途径调节基因表达。这些 21-24 个核苷酸的 RNA 起源 于发夹状前体或双链RNA（dsRNA ），由 RNA 酶 III类 Dicer 蛋白（ DCL）加工而成形成sRNA 双链体，在 3 端具有 2 -O- 甲基化，然后将其加载到Argonaute （AGO）蛋白中，以发挥功能并抑制互补序列靶RNA 的表达。 植物 sRNA 包括小干扰 RNA（siRNA ）和 miRNA 。siRNA 转录物通过 RNA 依赖性 RNA 聚合酶（ RDRP）转化为长链 dsRNA ，然后由 DCL 蛋白加工成 siRNA 双链体。植物 siRNA 分为二级 siRNA 和异色 siRNA （hetsiRNA ）。它们 参与转录后基因沉默（PTGS），但主要参与RNA 指导的 DNA 甲基化（ RdDM）和转录基因沉默（ TGS）。由 MIR 基因编码的 miRNA 被 RNA 聚合酶 II（Pol II ）转录为发夹结构，即初级miRNA （pri-miRNA ）。然后， DCL 蛋 白将 pri-miRNA 加工成较小的茎环结构，即前体miRNA（pre-miRNA ），再由 DCL 蛋白加工，形成成熟的miRNA 双链体（图 I）。一旦加载到 AGO 蛋白中，形成多蛋白RNA 诱导的沉默复合物（ RISC），miRNA 便可以通过 mRNA 切割或翻译抑制来抑制靶基因表达。总之，植物植物 sRNAsRNA，尤其是，尤其是 miRNAmiRNA ，参与许多调节过程，并在植物发育和，参与许多调节过程，并在植物发育和 逆境适应力中发挥重要作用。逆境适应力中发挥重要作用。miRNAmiRNA 或或 milRNAmilRNA 的保守性及其在生命各个分支中的机制表明，它们对许多生物的保守性及其在生命各个分支中的机制表明，它们对许多生物 都很重要，并且它们作为跨界通讯的媒介可能发挥作用。都很重要，并且它们作为跨界通讯的媒介可能发挥作用。例如，在根际中，植物与能够产生milRNA 的多种微 生物相互作用。与真核 miRNA 类似， 人们已经发现了从发夹结构获得的细菌约22 个核苷酸的 RNA 片段， 即 msRNA （图 I），尽管它们的丰度表明期具有重要的功能，但其具体功能仍然未知。除msRNA 之外，细菌还具有多种 sRNA，主要特征是反式作用的sRNA 和顺式作用的 sRNA，但许多新的细菌小调控RNA 尚待确定。真菌是真核生 物，并具有多种sRNA；然而，它们是否产生miRNA 仍在争论中。大多数研究表明，真菌中存在milRNA ，而这 些 miRNA 不是通过与真实miRNA 相同的生物生成途径产生的（图1）。有趣的是，进化较古老的卵菌类谱系也 有 miRNAs 。 背景图 1.植物和微生物中miRNA 和类 miRNA（mil）RNA 生物发生的比较。该图比较了根际中miRNA 的产生和 种间交换（虚线箭头）。 植物 miRNA 的生物合成途径已得到广泛研究， 主要包括类 Dicer 蛋白 （DCL） 和 Argonaute （AGO）蛋白。真菌通过至少四种不同的机制产生milRNA ：在 milRNA 基因转录后，将初级（pri）-milRNA 加 工成成熟的 milRNA 参与酶的组合（由*表示）， 例如 Dicer ， QDE-2（一种 Argonaute 蛋白）， MRPL3（RNA 酶III） 和核酸外切酶 QIP。有趣的是，存在一种独立于Dicer 的 miRNA 生物发生途径，这为考虑缺乏Dicer 酶但确实 具有类 Argonaute 蛋白的细菌和古生菌中miRNA 的产生提供了机会。 尽管细菌 msRNA 生物发生的细节仍有待揭 示，但多项研究已经预测了类似的发夹RNA 前体，并被 msRNA 和 msRNA* 验证。这表明， RNA 限制酶，如在大肠 杆菌中发现的 MazF，参与了 msRNA 的加工。一旦成熟miRNA 被合成，许多问题仍然存在，关于它们在物种间 的