我们提供了一种基于马铃薯X病毒(PVX)的microRNA沉默(VbMS)系统的详细实验方案,用于在马铃薯中对内源性microRNA(miRNA)进行功能鉴定。将目标miRNA的靶标模拟物(TM)分子插入PVX载体中,并在马铃薯中瞬时表达,以实现对目标miRNA或miRNA家族的沉默。
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我们提供了一种基于马铃薯X病毒(PVX)的microRNA沉默(VbMS)系统的详细实验方案,用于在马铃薯中对内源性microRNA(miRNA)进行功能鉴定。将目标miRNA的靶标模拟物(TM)分子插入PVX载体中,并在马铃薯中瞬时表达,以实现对目标miRNA或miRNA家族的沉默。
基于病毒的 microRNA 沉默(VbMS)是一种用于植物中 microRNA(miRNA)功能表征的快速高效工具。VbMS 系统已开发并应用于多种植物物种,包括Nicotiana benthamiana、番茄、拟南芥、棉花,以及小麦和玉米等单子叶植物。本文中,我们描述了一种使用基于 PVX 的 VbMS 载体在马铃薯中沉默内源性 miRNA 的详细实验方案。为了降低特定 miRNA 的表达水平,需设计目标 miRNA 的模拟分子(target mimic,TM),将其插入植物病毒载体,通过Agrobacterium介导的侵染在马铃薯中表达,从而直接结合目标内源性 miRNA 并阻断其功能。
植物微小RNA(miRNA)是一类长度为20–24个核苷酸、由细胞核编码的调控性RNA1,几乎参与调控植物所有生物学过程,包括生长与发育2,3、光合作用与代谢4,5,6,7、激素合成与信号传导8,9、生物与非生物胁迫响应10,11,12,13,以及营养与能量调控14,15。植物miRNA的调控作用具有高度程序化特征,通常在转录后水平通过切割靶标mRNA或抑制其翻译来实现。
在……方面已取得巨大进展 马铃薯中miRNA的鉴定、转录谱分析及靶基因预测16,17,18,19,20,21然而,由于缺乏高效且高通量的遗传学方法,植物(包括马铃薯)中miRNA的功能表征进展落后于其他生物。由于大多数miRNA属于具有显著遗传冗余的基因家族,因此通过标准的基因功能缺失分析来开展单个miRNA的功能研究具有较大挑战性。22此外,单个miRNA可以调控多个靶基因23 多个不同的miRNA可协同调节同一条分子通路24,25这些特性使得对特定miRNA或miRNA家族功能的表征变得困难。
对miRNA的功能分析在很大程度上依赖于功能获得(gain-of-function)方法,而这些方法存在明显的局限性。人工miRNA(amiRNA)技术利用内源性初级转录本(pri-miRNA)高效产生miRNA,从而抑制靶基因的表达26,27,28,29。然而,通过强组成型35S启动子进行激活标签(activation tagging)或miRNA过表达,常常导致miRNA表达水平显著升高,无法真实反映体内(in vivo)的生理状态,因此可能无法准确体现miRNA的内源性功能30。另一种替代策略是表达miRNA抗性的靶基因形式,即在结合位点和/或切割位点引入不可切割的突变31,32,33。但该方法也可能因转基因带来的技术性假象,导致对miRNA抗性靶基因所引发表型的误判。因此,对于这些功能获得研究所得出的结论应谨慎对待34。上述方法的另一主要局限在于其依赖遗传转化,该过程费时且劳动强度大。此外,依赖转基因的方法难以应用于难以转化的植物物种。因此,开发一种快速高效的基因功能缺失(loss-of-function)策略,对于揭示miRNA的功能至关重要 。
为了绕过转化程序的先决条件,病毒介导的microRNA沉默(VbMS)技术已通过将靶标模拟物(TM)策略与病毒来源的载体相结合而建立。在VbMS系统中,人工设计的TM分子由病毒骨架瞬时表达,为研究植物内源性miRNA的功能提供了一种高效、高通量且节省时间的工具35,36。VbMS最初在本氏烟(N. benthamiana)和番茄中利用烟草脆裂病毒(TRV)开发成功35,36,37,随后已扩展至拟南芥、棉花、小麦和玉米,采用的病毒表达系统包括马铃薯X病毒(PVX)38、棉花叶皱缩病毒(ClCrV)39、黄瓜花叶病毒(CMV)40,41,42、中国小麦花叶病毒(CWMV)43以及大麦条纹花叶病毒(BSMV)44,45。
马铃薯(Solanum tuberosum)是全球第四大重要的粮食作物,也是种植最广泛的非谷类作物,这主要归因于其高营养价值、高能量产出以及相对较低的投入需求46。马铃薯的多个特性使其成为一种具有吸引力的双子叶模式植物。它是一种通过营养繁殖的多倍体作物,具有较高的异交率、杂合性以及遗传多样性。然而,迄今为止,尚无利用病毒介导的微小RNA沉默(VbMS)技术对马铃薯中miRNA功能进行表征的报道。本文介绍了一种基于马铃薯X病毒(PVX)并经连接无关克隆(LIC)技术改造的VbMS方法,用于评估miRNA在马铃薯植株中的功能38。我们选择miR165/166家族来展示VbMS检测,因为miR165/166家族及其靶mRNA和III类同源异型域/亮氨酸拉链(HD-ZIP III)转录因子已被广泛研究22,47,48。HD-ZIP III基因是分生组织发育和器官极性的关键调控因子,抑制miR165/166功能会导致HD-ZIP III基因表达升高,从而引起多种发育缺陷,例如顶端优势减弱和叶片极性模式异常22,35,38,41。这些易于观察评分的发育表型与miRNA165/166的沉默密切相关,有助于准确评估基于PVX的VbMS检测的有效性。
本研究中,我们证明了基于PVX的VbMS系统能够有效阻断马铃薯中miRNA的功能。由于基于PVX的病毒诱导基因沉默(VIGS)系统已在多个马铃薯品种中建立49,50,51,52,因此这种基于PVX的VbMS方法有望应用于多种二倍体和四倍体马铃薯物种。
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1. 培养马铃薯植株。
2. 构建VbMS载体。
3. 在马铃薯植株中进行基于PVX的VbMS检测。
4. 进行表达分析。
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图2显示了PVX-STTM165/166马铃薯植株(Katahdin)的叶片组织在叶脉处从叶片远轴面异位生长。还观察到更为严重的表型,例如喇叭状叶片的形成。相比之下,PVX对照植株未观察到任何表型异常。这些结果表明,VbMS系统在四倍体马铃薯植株中有效抑制了内源miRNA的功能,且PVX-VbMS系统是一种可靠的遗传工具,可用于确定特定miRNA或miRNA家族的功能。
图3显示了PVX-STTM165/166马铃薯植株(Russet Burbank)的叶片远轴面沿叶脉处出现异位叶组织生长。这些结果表明,PVX-VbMS系统可应用于其他马铃薯物种,包括主要的马铃薯栽培品种。
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我们提出了一种基于PVX的miRNA沉默系统,通过将STTM设计整合到PVX载体中,用于鉴定马铃薯内源miRNA的功能。VbMS系统在沉默马铃薯中的miRNA165/166方面表现出有效性,该miRNA家族在植物物种中高度保守。
TM 方法通过设计一种人工 miRNA 靶标模拟物(target mimic),在 miRNA 互补序列的预期切割位点处形成错配环,从而干扰 miRNA 的表达,实现对靶向 miRNA 的隔离及其活性的抑制22,35,78,79。TM 分子与靶 miRNA 的配对通过降低特定 miRNA 或 miRNA 家族的水平来阻断其功能,进而导致靶 mRNA 的上调。目前已开发出多种用于沉默 miRNA 的 TM 技术,包括内源性 miRNA 靶标模拟(eTM)79...
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感谢清华大学的 Yule Liu 博士提供 PVX-LIC 载体。本工作由德克萨斯农工大学农业生命研究机构(Texas A&M AgriLife Research)的启动资金以及美国农业部国家食品与农业研究所(USDA National Institute of Food and Agriculture)哈奇项目(Hatch Project TEX0-1-9675)对 JS 的资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100 µM dATP 和 100 µM dTTP | Omega Bio-tek, Inc.,Norcross,GA 30071,美国 | TQAC136 | |
| 3 M 醋酸钠,pH 4.0 | Teknova,Hollister,CA 95023,美国 | #S0297 | |
| 乙酰丁香酮 | TCI America,美国俄勒冈州波特兰市,邮编 97203 | D2666-25G | |
| 农杆菌菌株:GV3101、GV2260 或 EHA105。 | |||
| 氯仿 | VWR 公司,美国宾夕法尼亚州拉德诺,邮编 19087-8660 | VWRV0757-950ML | |
| 二甲基亚砜,DMSO | TCI America,美国俄勒冈州波特兰市,邮编 97203 | D0798-25G | |
| DTT | VWR 公司,美国宾夕法尼亚州拉德诺,邮编 19087-8660 | VWRV0281-25G | |
| E. coli DB3.1 | 用于含 ccdB 基因的 PVX-LIC 和 pTRV2e 载体的保存 | ||
| E. coli DH5α | 通过LIC克隆生成的目的载体 | ||
| 肥料:Peters Peat Lite Special 15-0-15 阴天专用肥 | ICL Specialty Fertilizers,美国南卡罗来纳州萨默维尔,29483 | G99260 | |
| 高保真 PCR 试剂:KAPA HiFi DNA 聚合酶(含 dNTPs) | 罗氏测序与生命科学,Kapa生物系统公司 美国马萨诸塞州威尔明顿 | 7958960001 | |
| 异戊醇 | VWR 公司,美国宾夕法尼亚州拉德诺,邮编 19087-8660 | VWRV0944-1L | |
| Koptec 纯乙醇 – 200 Proof | Decon Labs,宾夕法尼亚州普鲁士王市,19406,美国 | V1005M | |
| MES | TCI America,波特兰,俄勒冈州 97203,美国 | M0606-250G | |
| MgCl₂2 | ThermoFisher,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆,邮编 02451 | MFCD00149781 | |
| M-MuLV 逆转录酶 | New England BioLabs,美国马萨诸塞州伊普斯维奇,邮编 01938-2723 | M0253L | |
| Nano-drop 分光光度计:NanoDrop OneC 带有 Wi-Fi 功能的微量紫外-可见分光光度计 | ThermoFisher,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆,邮编 02451 | ND-ONEC-W | |
| PCR仪:Bio-Rad MyCycler PCR系统 | Bio-Rad,美国加利福尼亚州赫尔克里士,邮编 94547 | 170-9703 | |
| PCR仪:Eppendorf Mastercycler pro | Eppendorf,美国纽约州霍普奇11788 | 950030010 | |
| pH计 | Sper Scientific,斯科茨代尔,亚利桑那州 85260,美国 | 台式pH/mV计 - 860031 | |
| 苯酚:氯仿:异戊醇(25:24:1),pH 6.7/8.0 | VWR 公司,美国宾夕法尼亚州拉德诺,邮编 19087-8660 | VWRV0883-400ML | |
| Phytagel:结冷胶 | Alfa Aesar,Tewksbury,MA 01876,美国 | J63423-A1 | |
| PVX VIGS 载体:PVX-LIC | Zhao 等,2016 | ||
| 实时荧光定量PCR仪:QuantStudio 6 Flex Real-Time PCR System | ThermoFisher, Waltham, MA 02451, USA | 4485697 | |
| 实时荧光定量 PCR 试剂:KAPA SYBR® FAST qPCR Master Mix (2x) 试剂盒 | 罗氏测序与生命科学,Kapa生物系统公司 美国马萨诸塞州威尔明顿 01887 | 7959389001 | |
| 限制性内切酶:SmaI | New England BioLabs,Ipswich,MA 01938-2723,美国 | R0141S | |
| 逆转录试剂:qScript cDNA SuperMix | Quanta BioSciences,美国马里兰州盖瑟斯堡 20877 | 95107-100 | |
| RNA提取试剂盒:E.Z.N.A. Plant RNA Kit | Omega Bio-tek, Inc.,Norcross,GA 30071,美国 | 货号:D3485-01 | |
| RNase抑制剂 小鼠来源 | New England BioLabs,Ipswich,MA 01938-2723,USA | M0314L | |
| RNAzol RT | Sigma-Aldrich,美国密苏里州圣路易斯市,邮编 63103 | R4533 | |
| 基质:Metro-Mix 360 | Sun Gro Horticulture,美国马萨诸塞州阿加瓦姆,01001-2907 | Metro-Mix 360 | |
| T4 DNA聚合酶及缓冲液 | New England BioLabs,Ipswich,MA 01938-2723,美国 | M0203S |
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