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寄主诱导基因沉默

/host-induced gene silencing/
条目作者成玉林

成玉林

最后更新 2023-09-26
浏览 168
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将含有病原动植物、微生物的目的基因片段的反义发夹结构的载体转化到寄主植物体中,导致植物体生产病原物目的基因的双链RNA(dsRNA),当病原物侵染该寄主时,病原物中相应的目标基因的表达受到抑制的现象。

英文名称
host-induced gene silencing
所属学科
植物保护学

寄主诱导基因沉默,即通过RNAi 结构对攻击寄主植物的病原物目的基因的表达进行干扰,最终使病原物相关基因沉默。

HIGS技术是对病毒介导的基因沉默[注]技术的进一步发展,已成为一种了解植物病原物与寄主相互作用和控制病害的工具。

HIGS是在VIGS的基础上发展起来的,是转录后基因沉默[注]-RNA沉默的一种表现。科学家对PTGS机制的研究已经做了大量的工作,认识到PTGS可以被长的dsRNA或者发卡结构的RNA诱导产生。在真菌中发现了PTGS过程中的同源基因和酶,HIGS和VIGS机制类似,可分为以下三个主要阶段。

起始阶段。包括dsRNA的导入、识别和小干扰RNA的形成。dsRNA可通过转基因、转座子、病毒感染等多种途径由外源导入;dsRNA被识别后即被核酸内切酶(RNAse Ⅲ)切割成长度为21~35个核苷酸的RNA片段(siRNA)。

效应阶段。双链siRNA在RNA解旋酶的作用下解链成正义链和反义链,继之由反义siRNA再与体内一些酶(包括内切酶、外切酶、螺旋酶)或蛋白结合,形成RNA诱导沉默复合体[注]。在ATP存在的情况下,被激活的RISC以单链siRNA作为向导,通过碱基互补配对原则,以序列特异性的方式引导Argonaute蛋白与靶标分子结合去寻找与之互补的靶mRNA。靶mRNA分子被Argonaute蛋白识别之后会被切割或者抑制翻译,最终被细胞降解。

信号放大阶段。活化的RISC结合mRNA后,内切核酸酶将mRNA切割成21~35nt的片段,抑制了靶基因的表达。同时释放出来的siRNA可以作为引导物,在RNA依赖的RNA聚合酶(RdRP)作用下,以靶mRNA为模板合成新的dsRNA,后者又被降解为新的siRNA,进入上述循环,呈放大效应。

植物可通过RNAi抑制病毒病或细菌病,而且当植物体内带有合适的反义RNA或RNAi结构时,其抗病性增强。平托等将水稻黄斑驳病毒复制所需酶的部分序列转入水稻,诱发病毒基因沉默,使水稻具有了抗黄斑驳病毒的特性。曼苏尔等将棉花曲叶病毒的DNA-B的部分编码区和部分非编码区片段导入烟草,获得了抗曲叶病毒的烟草植株。另一方面,在根癌农杆菌引起的冠瘿病研究中,利用RNAi技术也有效地提高了植物的抗病性。卡蒂亚尔·阿加瓦尔和吉恩证实了植物受病原细菌的侵染后,其体内的miRNAs量增高,说明这些小分子RNA参与了细菌-植物之间的互作。

在线虫研究中较早使用,布特拉等证明在烟草中表达GFPdsRNA 可沉默转基因秀丽小杆线虫中GFP的表达。黄等在拟南芥中表达根结线虫寄生相关基因16D10的dsRNA,获得了对四种根结线虫的抗性。在烟草中表达 MjTis11 基因诱导RNAi,也可以抑制取食根结线虫中的目标基因(费尔贝恩等)。另外,利用病毒感染植物寄主产生双链RNA,也可以实现基因沉默(古玛等)。针对农业昆虫,毛等报道,棉铃虫取食表达p450基因双链RNA的棉花叶片后,体内p450基因表达量下降,结果对棉酚的耐受性大大降低,导致生长缓慢甚至死亡。

RNA干扰技术也开始应用于真菌-植物相互作用的研究,主要包括白粉菌、锈菌以及赤霉菌等活体或半活体专性寄生真菌。对于活体专性寄生真菌来说,由于缺少有效的遗传转化体系,长期以来其基因功能研究受到阻碍,HIGS技术的应用加快了专性活体营养型病原菌的基因功能研究。

  • 张河山,胡亚亚,张娜,等.寄主诱导的基因沉默(HIGS)技术研究进展.农业生物技术学报,2013,21:604-611.

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