МикроРНК растений (миРНК) характеризуются как 20-24 нуклеотидные, ядерно-кодируемые регуляторные РНК1 и играют фундаментальную роль почти во всех аспектах растительных биологических процессов, включая рост и развитие2,3, фотосинтез и метаболизм4,5,6,7, синтез и передачу сигналов гормонов8,9, биотические и абиотические реакции10, 11,12,13, регулирование питательных веществ и энергии14,15. Регуляторные роли растительных миРНК хорошо запрограммированы и выполняются, как правило, на посттранскрипционных уровнях путем либо расщепления, либо трансляционного подавления целевых мРНК.
Огромный прогресс был достигнут в области идентификации, транскрипционного профилирования и целевого прогнозирования микроРНК в картофеле16,17,18,19,20,21. Однако функциональная характеристика микроРНК в растениях, включая картофель, отстает от других организмов из-за отсутствия эффективных и высокопроизводительных генетических подходов. Выполнить функциональный анализ отдельных миРНК путем стандартного анализа потери функции сложно, поскольку большинство микроРНК относятся к семействам со значительной генетической избыточностью22. Кроме того, одна миРНК может контролировать несколько генов-мишеней23, а несколько различных миРНК могут совместно модулировать один и тот же молекулярный путь24,25. Эти свойства затрудняют характеристику функции конкретной миРНК или семейства миРНК.
Большая часть функционального анализа микроРНК в значительной степени опирается на подходы с усилением функции, которые имеют очевидные ограничения. Метод искусственной миРНК (амиРНК) использует эндогенные первичные транскрипты (примиРНК) для производства миРНК на высоком уровне, что приводит к ингибированию экспрессии генов-мишеней26,27,28,29. Однако активационная маркировка и гиперэкспрессия миРНК с использованием сильного конститутивного промотора 35S часто приводят к повышенной экспрессии миРНК, которые не являются репрезентативными для состояний in vivo и, следовательно, могут не отражать эндогенную функцию miRNAs30. Был разработан альтернативный подход, включающий экспрессию устойчивых к миРНК форм генов-мишеней, которые содержат непроницаемые мутации в сайтах связывания и/или расщепления31,32,33. Но этот подход также может потенциально вызвать неправильную интерпретацию фенотипа, полученного из микроРНК-резистентного целевого трансгена из-за трансгенных артефактов. Поэтому выводы из этих исследований усиления функции следует делать с осторожностью34. Другим существенным ограничением вышеописанных подходов является то, что они требуют трансформации, которая является трудоемкой и трудоемкой. Кроме того, трансген-зависимые подходы вряд ли применимы к трансформно-непокорным видам растений. Поэтому важно разработать быстрый и эффективный подход к потере функции для разгадки функции микроРНК.
Чтобы обойти предпосылку процедуры трансформации, было установлено подавление микроРНК на основе вируса (VbMS) путем объединения стратегий мишенной имитации (TM) с векторами, полученными из вируса. В системе VbMS искусственно разработанные молекулы ТМ временно экспрессируются из вирусной основы, предлагая мощный, высокопроизводительный и экономящий время инструмент для рассечения функции эндогенных микроРНК растений35,36. VbMS был первоначально разработан в N. benthamiana и помидорах с вирусом табачной погремушки (TRV)35,36,37 и был распространен на арабидопсис, хлопок, пшеницу и кукурузу с использованием различных других систем экспрессии вируса, включая вирус картофеля X (PVX)38, вирус смятия листьев хлопчатника (ClCrV)39, вирус мозаики огурцов (CMV)40,41,42, вирус китайской мозаики пшеницы (CWMV)43 , и вирус ячменной полосатой мозаики (BSMV)44,45.
Картофель (Solanum tuberosum) является четвертой по важности продовольственной культурой и наиболее широко выращиваемой нецереальной культурой в мире, прежде всего из-за его высокой питательной ценности, высокого производства энергии и относительно низких потребностей в ресурсах46. Несколько особенностей картофеля делают его привлекательным двудольным модельным растением. Это вегетативно размножаемая полиплоидная культура с высокой скоростью ауткроссирования, гетерозиготностью и генетическим разнообразием. Однако на сегодняшний день нет отчета, характеризующего функцию миРНК в картофеле с использованием VbMS. Здесь мы представляем адаптированный к лигированию (LIC) подход VbMS на основе PVX картофеля для оценки функции миРНК в растениях картофеля38. Мы выбрали семейство miR165/166 для иллюстрации анализа VbMS, потому что семейство miR165/166 и их целевые мРНК и факторы транскрипции гомеодомена/молнии класса III (HD-ZIP III) были широко охарактеризованы22,47,48. Гены HD-ZIP III являются ключевыми регуляторами развития меристемы и полярности органов, а подавление функции miR165/166 приводит к увеличению экспрессии генов HD-ZIP III, что приводит к плеотропным дефектам развития, таким как снижение апикального доминирования и аберрантные паттерны полярности листьев22,35,38,41 . Легко оцениваемые фенотипы развития, коррелирующие с глушением miRNA165/166, позволяют точно оценить эффективность анализа VbMS на основе PVX.
В этом исследовании мы демонстрируем, что система VbMS на основе PVX может эффективно блокировать функцию миРНК в картофеле. Поскольку система глушения генов на основе PVX(VIGS) была создана в ряде сортов картофеля49,50,51,52, этот подход VbMS на основе PVX, вероятно, может быть применен к широкому кругу диплоидных и тетраплоидных видов картофеля.