RNA干扰(RNA interference,RNAi)作为一种重要的植物免疫机制,在抵御病毒侵染中发挥着关键作用。植物中RNAi主要由小干扰RNA(small interfering RNAs,siRNAs)和微小RNA(microRNAs,miRNAs)介导,通过严格调节植物发育,维持基因组稳定性及保护植物免受外源基因的入侵,发挥多重生物学功能
[1⁃2]。RNAi效应由内源或外源的长双链RNA(double⁃stranded RNA,dsRNA)诱导触发,这些dsRNA被RNase Ⅲ型RNA酶Dicer或Dicer样蛋白(DICER⁃like proteins,DCL
)切割成21~24 nt的siRNA或miRNA
[3],随后被Argonaute(AGO)蛋白加载,并结合形成RNA诱导的沉默复合物(RNA induced silencing complex,RISC),该复合物通过碱基互补配对识别靶标基因mRNA或DNA,特异性降解靶标mRNA或抑制翻译实现转录后基因沉默(post transcriptional gene silencing,PTGS),或通过影响DNA甲基化实现转录水平基因沉默(transcription gene silencing,TGS)
[4⁃5]。dsRNA的存在是转录后基因沉默(PTGS)的主要触发因素,其中大部分由
RDR6与RNA结合蛋白沉默基因的抑制子3(
SGS3)共同作用
[6⁃7]。SGS3是RNA沉默途径中的一个核心蛋白,尤其是在转录后基因沉默(PTGS)中扮演重要角色,其功能与RDR6的功能交织在一起
[8]。SGS3通常包含三个结构域,分别是锌指结构域(ZF)、与水稻基因X产物相似的XS结构域(XS)和卷曲螺旋结构域(CC)。其中,XS结构域参与RNA结合,而CC结构域参与同源二聚体形成,ZF结构域的功能尚不清楚
[9⁃10]。SGS3在RNAi介导的抗病毒机制中的作用尚不完全清楚。因此,本文研究本氏烟草
SGS3基因在RNAi介导的抗病毒作用中对大豆花叶病毒(Soybean mosaic virus,SMV)感染的作用。
人工小RNA(artificial microRNA,amiRNA)是另一种重要的RNA沉默工具。与siRNA不同,amiRNA技术是一种基于内源miRNA前体骨架的新型基因沉默技术。该技术通过将内源miRNA前体茎环结构中的miRNA/miRNA*序列替换为人工设计的amiRNA/amiRNA*序列,经生物体内加工后产生具有特定功能的人工miRNA,从而实现对靶基因表达的调控,可有效抑制靶标基因的表达
[11]。amiRNA技术具有唯一性、有效性和精确性,目前已在植物生长发育调控、作物遗传改良、代谢通路基因功能解析以及生物/非生物胁迫耐受性研究等领域展现出重要应用价值
[12]。
针对单个amiRNA仅能靶向干扰单一基因位点的局限性,本研究引用了一种基于amiRNA的PTA技术以提升基因沉默效率。该技术借助Golden Gate克隆技术同时组装多个片段,将多个tRNA片段与针对不同靶标序列设计的amiRNA序列串联,构建成PTA多顺反子表达盒。当进行转录时,tRNA两端的特异性识别序列被2个核糖核酸酶(RNaseP和RNaseZ)切割,同步释放出多个独立的amiRNA。这些amiRNA可分别靶向结合各自的特异性靶标位点,实现对同一基因多位点或多个不同基因的同时干扰,目前该技术仅应用于玉米黏虫和拟南芥,还未见其他相关报道
[13⁃14]。PTA技术通过整合多靶点沉默机制,突破了传统单靶点干扰的效率瓶颈,为复杂基因网络调控研究及多基因协同改良提供了高效工具。本研究针对本氏烟草RNAi相关途径病毒防御相关的
SGS3基因构建PTA表达盒,并比较其与单个amiRNA之间的RNAi效应,探究表达多个基因的amiRNA的PTA表达盒是否产生更高效的RNA干扰效应。
1 材料与方法
1.1 植物栽培和试剂
研究所使用的烟草为17wt本氏烟草,种植于本实验室人工气候室,生长最佳温度为(25±2) ℃,相对湿度为70%~80%,光周期为16 h∶8 h(光∶暗)。Taq聚合酶、Trizol试剂、cDNA反转录试剂盒、 BsaⅠ酶、T7连接酶和RT⁃qPCR检测试剂盒等试剂购自TaKaRa公司。大肠杆菌DH5α和农杆菌GV310以及2K⁃Trans Marker购自全式金公司。T⁃miR159b和pGTR载体由华中农业大学谢卡宾教授惠赠,双元表达载体pBI121保存于本实验室。引物合成由南京金斯瑞公司完成,DNA测序由北京擎科生物科技公司完成。
1.2 靶基因SGS3特异的amiRNA重组载体的构建
利用本氏烟草基因组数据库(
www.benthgenome.com)针对
SGS3基因设计3个amiRNA序列。根据amiRNA序列设计引物,通过PCR扩增获得目的片段,经双酶切回收后,连接至
XbaⅠ和
KpnⅠ线性化的pBI121载体,构建重组载体pBI121⁃amiRNA1/2/3。利用菌落PCR、酶切验证和测序等方式确认克隆的正确性。
1.3 PTA表达盒的构建及本氏烟草瞬时干扰分析
以T⁃miR159b和pGTR质粒为模板,通过引物分别扩增3个amiRNA和3个tRNA片段(
表1),经1.2%琼脂糖凝胶电泳分离后将符合预期大小的片段进行胶回收。将6个回收产物按1∶1摩尔比混合,通过
BsaⅠ/T
7酶一步法进行Golden Gate组装。具体组装的反应体系和反应程序如下:6个片段胶回收产物各40~50 ng,BSA 2 µL;2×T
7 DNA ligase Buffer 10 µL,
BsaΙ 0.5 µL;T
7 DNA 连接酶0.5 µL,ddH
2O补足至20 µL。混合后于37 ℃、5 min酶切和20 ℃、10 min连接;并于20 ℃延伸1 h。组装产物稀释10倍后,利用上述扩增长片段的引物PCR扩增,获得845 bp的PTA多顺反子表达盒,连接至pMD19⁃T载体并经酶切、PCR扩增及测序验证。验证正确的PTA片段亚克隆至pBI121表达载体,构建pBI121⁃PTA⁃
AGO重组质粒并转化GV3101农杆菌。利用该菌株与表达GFP的SMV病毒共侵染3~4叶期本氏烟草,侵染液中加入1∶100的1 mol/L MES和MgCl
2,以及1∶1 000的200 mmol/L乙酰丁香酮。平行对照实验使用单一的
AGO1或
AGO2基因的pBI121⁃amiRNA重组载体。
1.4 实时荧光定量PCR和量化GFP荧光强度
在本氏烟草瞬时表达系统中,通过实时荧光定量PCR检测pBI121⁃PTA⁃SGS3或pBI121⁃amiRNA的靶基因沉默效应。侵染本氏烟草6天后收集侵染部位的叶片,使用Trizol法提取总RNA并反转录生成cDNA,以NbActin(登录号NM_102866.3)作为内参,比较PTA与单个amiRNA的沉默效果。利用Gel⁃Pro Analyzer软件,对SMV⁃GFP与PTA表达盒或单个amiRNA共侵染部位的GFP荧光转换为灰度密度,用t检验比较法比较单个amiRNA和PTA表达盒侵染的叶片GFP荧光强度值。
2 结果分析
2.1 利用特异性amiRNA在本氏烟草中瞬时沉默靶基因
本研究以本氏烟草RNAi途径中的关键基因
SGS3为靶标,分别在其3个不同结构域ZF、XS以及CC(
图1a)各设计1个amiRNA序列,以拟南芥miR159b骨架为模板扩增3个amiRNA序列,将其分别克隆至双元表达载体pBI121中。菌落PCR、质粒PCR均表明其大小与预期大小相符(204 bp),进一步测序验证表明成功构建了3个重组载体,分别命名为pBI121‒SGS3‒amiRNA1、pBI121‒SGS3‒amiRNA2和pBI121‒SGS3‒amiRNA3(
图1b)。
为确定最佳干扰时间点,本文将上述3个重组质粒分别转化至农杆菌GV3101后,注射侵染17wt本氏烟草叶片。分别于侵染后3、5、7、9 d取样,通过RT⁃qPCR分析
SGS3基因表达水平。
NbActin基因作为内参基因,根据2
-ΔΔt方法计算靶标基因的表达情况,通过
t检验计算对照组和处理组之间的显著性差异,每组实验做 3个技术重复、3个生物重复。结果显示,侵染第5 d时干扰效果最为显著(
图2),故后续实验将采用侵染5 d后取样,检测靶基因的干扰效果。
将各个amiRNA重组体侵染本氏烟草5 d后取样,采用RT⁃qPCR分析靶基因表达水平,评估3个amiRNA的干扰效率,结果如
图3所示。接种空载体pBI121(EV)的植株作为对照组,对照中的
SGS3表达量被设定为1,本氏烟草
NbActin基因作为内参,
t检验同上。RT⁃qPCR结果显示,
SGS3基因的3个amiRNA中,amiRNA2的干扰效果最佳,与对照组相比,靶基因的表达量下降了74.5%,而amiRNA1和amiRNA3的靶基因表达量分别下降了27%和38.5%。
2.2 构建本氏烟草SGS3基因特异性PTA表达盒
本研究引用了一种基于PTA的多靶基因沉默系统,其核心是采用Golden Gate克隆技术实现无缝组装。Golden Gate克隆利用Ⅱs型限制性内切酶(如
BsaⅠ)在识别位点外切割DNA产生黏性末端,同时通过T
7连接酶将多个目的DNA片段按既定顺序连接,实现无痕拼接。该系统的多顺反子tRNA⁃amiRNA转录后,tRNA被RNaseP和RNaseZ特异性识别并切割,释放多个amiRNA同时干扰相应靶基因。期望与单一amiRNA相比,实现更显著的转录后基因沉默效果(
图4)。
利用
表1引物扩增构建PTA⁃SGS3表达盒所需的3个amiRNA和3个tRNA片段,琼脂糖凝胶电泳检测显示,PCR产物大小与预期一致,其中amiRNA1与amiRNA2均为187 bp,amiRNA3为210 bp;tRNA1为124 bp,tRNA2和3个tRNA片段进行回收纯化后,采用Golden Gate克隆技术,按照预先设计的顺序将6个片段进行串联组装。随后使用PTA1和PTA13引物进行PCR扩增,成功获得
SGS3基因对应的PTA表达盒。
将胶回收的PTA表达盒克隆至pMD19⁃T载体,经PCR扩增、酶切及测序验证,成功构建pMD19⁃T⁃PTA⁃SGS3(
图5b,c)。从该重组载体中扩增PTA⁃SGS3表达盒,连接至pBI121表达载体,PCR结果显示,750~1000 bp区间存在特异性条带与预期大小相符(845 bp),
XbaI/
KpnI双酶切产物大小符合预期(
图5d,e),DNA测序进一步证实PTA⁃SGS3表达盒成功整合至pBI121表达载体。
2.3 SGS3基因特异性PTA表达盒对抗SMV活性的影响
为了验证靶标基因amiRNA对应的PTA表达盒是否能够提高RNAi效率,本文将PTA表达盒(pBI121⁃PTA⁃SGS3)和前期验证干扰效果最佳的单个amiRNA的重组载体pBI121⁃SGS3⁃amiRNA2,分别与表达绿色荧光蛋白(GFP)的大豆花叶病毒(SMV⁃GFP)载体共侵染本氏烟草。对本氏烟草侵染部位的GFP荧光强度分析发现,相对于表达单个amiRNA,串联表达
SGS3基因3个amiRNA的PTA表达盒的病毒积累量更多,也即GFP荧光强度更强(
图6a),表明
SGS3基因下调使其抗SMV的能力下降。其他pBI121⁃SGS3⁃amiRNA1和pBI121⁃SGS3⁃amiRNA3也做了与病毒共侵染实验,但未见明显的表型效果。利用Gel⁃Pro Analyzer软件对其荧光强度进一步分析也发现,与pBI121⁃SGS3⁃amiR2相比,pBI121⁃PTA⁃SGS3荧光强度提高了50.6%(
图6c)。与此同时,侵染本氏烟草叶片4 d后,选择出现明显表型的叶片进行DAB染色观察,发现侵染PTA⁃SGS3的叶片坏死相较于单个amiRNA更严重,与GFP荧光强度的结果一致(
图6b)。最后,通过对靶标基因进行表达量分析发现,注射PTA⁃SGS3的本氏烟草的
SGS3基因的表达水平相较于单个amiRNA下调了44.8%(
图6d)。
GFP蛋白荧光强度分析、SMV‒GFP积累情况、DAB染色以及靶标基因表达量分析均非常直观证明PTA表达盒的RNAi效率高于单个amiRNA。PTA表达盒能更明显降低靶标基因的表达,并导致RNAi途径的缺失,从而导致病毒更容易侵染植物,进一步表明SGS3基因参与了本氏烟草RNAi的关键步骤,且可能参与抗病毒过程。
3 讨论
RNAi作为植物抗病毒免疫的关键机制,在植物抵御病毒入侵过程中发挥着核心作用
[15]。本研究首次明确了本氏烟草中
SGS3基因抗SMV功能,可为解析RNAi抗病毒通路中该基因作用机制提供直接实验证据。本研究聚焦本氏烟草
SGS3基因在抗SMV途径中的功能,通过引入PTA技术,并与传统单amiRNA进行对比,深入探究其在RNAi效率及抗病毒活性方面的差异。针对
SGS3基因的不同结构域设计特异性amiRNA,为精准调控
SGS3基因表达奠定了基础。瞬时表达实验结果显示amiRNA2沉默效率最高,这表明针对不同结构域设计的 amiRNA在沉默效果上存在显著差异。这可能与
SGS3基因各结构域的功能重要性、空间构象以及amiRNA与靶序列的互补程度等多种因素相关
[16]。不同结构域在SGS3蛋白行使功能过程中扮演着不同角色,如ZF、XS和CC结构域可能参与了蛋白‑蛋白相互作用、RNA结合等关键过程,对这些结构域的有效干扰可能会对
SGS3基因功能产生不同程度的影响。值得注意的是,靶向XS结构域的amiRNA2表现出最高的沉默效率(
图2c),暗示该结构域可能在SGS3介导的dsRNA合成中发挥核心功能,这一发现为解析SGS3的分子机制提供了新方向。PTA技术的引入是本研究的一大亮点。通过Golden Gate克隆技术将多个amiRNA与tRNA串联组装成PTA‒SGS3表达盒,qRT‒PCR结果清晰地表明,与单一amiRNA相比,PTA系统显著增强了基因沉默效果。这一结果充分体现了PTA技术在多靶点基因沉默方面的独特优势。多个amiRNA的协同作用能够从多个位点对靶基因进行干扰,增加了与靶基因mRNA互补配对的机会,从而更有效地抑制靶基因的表达
[17]。这与近年来关于多靶点沉默技术在增强RNAi效率中的优势报道一致
[13]。tRNA的引入可能有助于稳定amiRNA的表达和加工过程,进一步提高了基因沉默的效率和稳定性。在抗病毒活性方面,GFP荧光强度分析和DAB染色实验结果显示,PTA表达盒侵染后SMV积累量更多,这意味着PTA表达盒更易导致RNAi途径缺失,使病毒更易侵染植物。DAB染色结果显示,PTA‒SGS3处理叶片中H
2O
2积累量减少(
图5c),提示SGS3可能通过调控活性氧(ROS)信号通路参与抗病毒防御。这一现象看似与预期相悖,但深入分析可知,
SGS3基因在植物抗病毒RNAi途径中具有重要功能,当利用PTA技术强烈抑制
SGS3基因表达时,植物正常的抗病毒RNAi途径受到破坏,从而无法有效地抵御SMV的入侵。这一结果从反面证实了本氏烟草
SGS3基因在抗SMV途径中确实存在关键功能,为解析
SGS3基因在抗病毒RNAi途径中的作用提供了有力的新证据
[18]。从农业生物技术应用的角度来看,本研究成果具有重要意义。一方面,PTA技术作为一种高效的基因沉默工具,为植物抗病毒机制研究提供了新的手段。通过精准调控植物体内关键基因的表达,能够深入研究植物与病毒之间的相互作用机制,为开发新型抗病毒策略提供理论基础。另一方面,对于作物抗病育种而言,明确
SGS3基因的功能以及PTA技术的有效性,为培育具有更强抗病毒能力的作物品种提供了新策略。可以通过基因编辑等技术手段,在作物中优化
SGS3基因的表达或者利用PTA技术构建高效的抗病毒体系,从而提高作物对病毒病害的抗性,减少农业生产中的损失
[19]。
国家自然科学基金资助项目“鳞翅目昆虫RNAi效率的优化及寄主介导的多靶基因沉默(MTS)体系的建立”(32260667)
内蒙古师范大学基本科研业务费专项资金资助项目“利用VIGS技术挖掘玉米黏虫有效致死基因”(2023JBYJ019)
大学生创新训练资助项目“利用核酸农药技术筛选靶向玉米黏虫的关键基因”(S202310135030)