miRNA在植物病毒基因組中的靶基因預測及分析

王艷芳, 趙彥宏, 于佳麗, 劉林德

(1.魯東大學生命科學學院,煙臺 264025;2.魯東大學農學院,煙臺 264025)

miRNA在植物病毒基因組中的靶基因預測及分析

王艷芳1, 趙彥宏2*, 于佳麗1, 劉林德1

(1.魯東大學生命科學學院,煙臺 264025;2.魯東大學農學院,煙臺 264025)

microRNA(miRNA)是一類長約22 nt的內源性的非編碼小RNA,在植物的生長發育和脅迫響應中起重要調控作用。本文通過生物信息學的方法,在miRBase中下載了12種植物的miRNA序列;在DPVweb和VIDE病毒數據庫中查找侵染這些植物的病毒,并在NCBI數據庫中搜索其基因組序列,共獲得173種病毒的基因組序列。用psRNATarget在線軟件預測植物miRNA在植物病毒中的靶基因,發現植物miRNA可能參與調控包括聚合蛋白、衣殼蛋白、逆轉錄酶、復制相關基因、通讀蛋白、依賴RNA的RNA聚合酶等多種植物病毒基因的表達。

miRNA; 植物病毒; 靶基因預測; 生物信息學

microRNA(miRNA)是一類長約22 nt的內源性的單鏈非編碼小RNA,廣泛存在于生物體中[1]。miRNA在轉錄后水平通過序列互補識別靶基因,并引起靶基因的降解或抑制其翻譯,達到抑制特定基因表達的目的[2]。自2002年發現第一個植物miRNA以來[3],植物miRNA的功能引起人們廣泛的重視。研究表明,miRNA在植物生長發育、激素調節與信號轉導以及各種生物與非生物脅迫反應中起重要的調控作用[4-5]。

miRNA在植物響應脅迫過程中的調控作用是人們關注的重點之一。在非生物脅迫中,很多植物miRNA能響應低氮[6]、低磷[7]、低硫[8]等礦質元素的脅迫;植物miRNA的表達也受干旱[9]、低溫[10]和高鹽[10]等環境因素的影響。植物miRNA對生物脅迫的響應也有報道。miRNA393是第一個發現的受病原菌侵染負調控的miRNA[11];煙草花葉病毒(Tobacco mosaic virus)等4種植物病毒侵染本氏煙后煙草體內miR168表達量顯著上升[12];被水稻條紋病毒(Rice stripe virus)侵染后的植物體內可檢測出多種新的miRNA[13]。

植物遭受病毒侵染后,miRNA對入侵病毒調控的研究主要集中在植物miRNA表達量的變化上。事實上,植物抵抗病毒侵染的過程是雙向的,既表現在病毒通過miRNA干擾寄主植物的基因表達,又表現在植物miRNA對病毒基因表達的抑制作用[14]。本文從miRBase數據庫下載了12種植物的miRNA序列,同時收集了這12種植物的病毒基因組序列,用psRNATarget在線軟件預測植物miRNA序列在植物病毒基因組中的靶基因,并對它們的功能進行分析,探討植物miRNA對植物病毒基因的表達調控。

1 材料與方法

1.1 植物miRNA序列的獲取

植物miRNA序列從miRBase Release 19(http：∥www.mirbase.org/)數據庫中獲得。

1.2 植物病毒信息的收集

植物病毒基因組信息從病毒數據庫DPVweb (http：∥www.dpvweb.net/index.php)和VIDE (http：∥www.agls.uidaho.edu/ebi/vide/)中查詢。

1.3 植物病毒基因組序列的獲取

從上述病毒數據庫中收集到植物病毒后,在NCBI(http：∥www.ncbi.nlm.nih.gov/)中搜索植物病毒基因組序列。

1.4 miRNA在植物病毒中的靶基因預測

用psRNATarget(http：∥plantgrn.noble.org/ psRNATarget/?function=3)在線軟件進行miRNA在植物病毒基因組中的靶基因預測。參數為默認值。

2 結果分析

2.1 植物miRNA與植物病毒的基本信息

以玉米、柑橘、番茄等12種植物的miRNA為研究對象。從miRBase Release 19下載并整理12種植物的miRNA(表1)。12種植物miRNA數量差異較大,水稻最多,接近600個miRNA,豇豆最少,只有18個。

表1 12種植物的miRNA數量Table 1 Number of miRNA in 12 plants

從病毒數據庫DPVweb和VIDE中搜索侵染上述12種植物的病毒,并在NCBI搜索這些病毒的基因組序列,共搜索到173個病毒基因組序列(結果未列出),從每種植物對應的病毒基因組序列數目(表2)可以看出,不同植物的病毒基因組數目也不盡相同,搜索到的番茄病毒基因組最多,共65個,高粱只有2個。本研究只對搜索到的全基因組序列的病毒進行植物miRNA靶基因預測。

2.2 靶基因預測

用psRNATarget對12種植物miRNA在173個病毒基因組中的靶基因進行預測,結果(表2)表明,每種植物都有部分對應的病毒基因組預測到了miRNA的靶基因位點,173個病毒中有50個病毒預測到了潛在靶基因,約28.9%;對于植物miRNA,從miRBase中共下載2 037條miRNA序列,其中298條在這173個植物病毒中有潛在靶基因,約占總miRNA的14.7%。

表2 植物miRNA在病毒基因組中的靶基因預測Table 2 Prediction of target gene of plant miRNA in virus genomes

值得注意的是,搜索到全基因組序列的16個侵染水稻的病毒中,有14個病毒基因組預測到水稻miRNA的潛在靶基因,占侵染病毒總數的87.54%;而可以與水稻病毒匹配的miRNA也多達232個,占水稻總miRNA數目的29.2%。可以推斷水稻miRNA與水稻病毒之間可能存在大量的互作。

植物miRNA大部分是保守的[15],miRNA家族的保守性不僅體現在序列的保守性,功能上也具有一定的保守性。對miRNA家族在植物病毒基因組中的靶基因分析發現(圖1),miR-156家族在植物病毒基因組中的靶基因最多,有21個靶基因,miR-169和miR-171分別有15和12個靶基因,也有一些miRNA沒有預測到靶基因(未列出)。

圖1 不同miRNA家族在植物病毒基因組中的靶基因數Fig.1 Number of target gene of different miRNA families in virus genomes

2.3 靶基因功能分析

對預測到的靶基因進行功能分析,發現植物miRNA在植物病毒基因組中的靶基因功能呈現多樣化,包括聚合蛋白、糖蛋白、衣殼蛋白、逆轉錄酶、復制相關基因、通讀蛋白、依賴RNA的RNA聚合酶等(表3)。這些基因可能參與植物病毒侵染寄主植物的過程,如植物病毒的復制、病毒大分子合成和組裝等。說明植物miRNA通過多種途徑調控植物病毒的入侵。

表3 植物miRNA靶基因功能Table 3 Function of target genes of plant miRNAs

從表3可以看出,水稻miRNA預測到的靶基因最多,在14個病毒基因組中共預測到99個靶基因;其次是葡萄和大豆,分別預測到21和12個靶基因;其他作物預測到的靶基因數為1～7個。

從預測到的靶基因功能來看,植物miRNA主要參與調控病毒復制相關蛋白、聚合蛋白和依賴RNA的RNA聚合酶,以及參與病毒組裝的衣殼蛋白的基因。

下面以病毒基因組數目最多的番茄為例,介紹miRNA在番茄病毒基因組中靶基因預測結果(表4)。通過靶基因預測發現,sly-miR159、sly-miR171和sly-miR172等3個番茄miRNA的靶序列有巴基斯坦番茄卷葉病毒(Tomato leaf curl Pakistan virus)等10個番茄病毒基因組。功能分析表明,3個miRNA的靶基因功能分為4種類型,即衣殼蛋白、復制相關蛋白、聚合蛋白和癥狀表達相關蛋白。

3 討論

植物miRNA作為植物生長發育、抗逆過程的重要調控因子,備受關注。隨著測序技術的完善、研究的深入,越來越多的植物miRNA被挖掘,與發現的植物miRNA數量相比,植物miRNA的功能研究相對滯后。通過生物信息學方法預測植物miRNA的功能,可以提高植物miRNA功能研究的效率。

表4 番茄miRNA的靶病毒和靶基因Table 4 Target viruses and genes of tomato miRNAs

與生物脅迫相關的植物miRNA的研究已經取得了重大突破,這些成果對植物抗病研究具有重要意義[16]。本研究采用生物信息學方法預測植物miRNA在植物病毒基因組中的靶基因,為植物防御病毒的研究提供了新思路。根據預測結果,在12種植物各自的病原病毒基因組中都或多或少預測到靶基因,證明這種方法切實可行。植物miRNA在植物病毒中的靶基因種類很多,包括聚合蛋白、糖蛋白、衣殼蛋白、逆轉錄酶等,說明植物miRNA通過多種渠道對植物病毒的侵染進行調控。

另外,本研究所選的12種植物中以水稻miRNA數量最多,在病毒中預測到的靶基因也最多;花生、大麥和柑橘等植物的miRNA數量較少,預測到的靶基因也較少。可以推斷,隨著植物miRNA數量的增加,會預測到更多的靶基因,有利于我們進一步探討植物miRNA對植物病毒侵染的調控。

[1] Carrington JC,Ambros V.Role of microRNAs in plant and animal development[J].Science,2003,301(5631)：336-338.

[2] Bartel D P.MicroRNAs：target recognition and regulatory functions[J].Cell,2009,136(2)：215-233.

[3] Llave C,Kasschau K D,Rector M A,et al.Endogenous and silencing-associated small RNAs in plants[J].Plant Cell, 2002,14(7)：1605-1619.

[4] Guleria P,Mahajan M,Bhardwaj J,et al.Plant small RNAs：biogenesis,mode of action and their roles in abiotic stresses[J].Genomics,Proteomics&Bioinformatics,2011,9(6)：183-199.

[5] Kulcheski F R,de Oliveira L F V,Molina L G,et al.Identification of novel soybean microRNAs involved in abiotic and biotic stresses[J].BMC Genomics,2011,12：307.

[6] Pant B D,Musialak-Lange M,Nuc P,et al.Identification of nutrient-responsive Arabidopsis and rapeseed micrornas by comprehensive real-time polymerase chain profiling and small RNA sequencing [J].Plant Physiology,2009,150(3)：1541-1555.

[7] Chiou T J.The role of microRNAs in sensing nutrient stress [J].Plant Cell&Environment,2007,30(3)：323-332.

[8] Sunkar R,Chinnusamy Y,Zhu Jianhua,et al.Small RNAs as big players in plant abiotic stress responses and nutrient deprivation[J].Trends Plant Science,2007,12(7)：301-309.

[9] Li Wenxue,Oono Y,Zhu Jianhua,et al.The Arabidopsis NFYA5 transcription factor is regulated transcriptionally and posttranscriptionally to promote drought resistance[J].Plant Cell,2008,20(8)：2238-2251.

[10]Sunkar R,Zhu Jiankang.Novel and stress-regulated microRNAs and other small RNAs from Arabidopsis[J].Plant Cell, 2004,16(8)：2001-2019.

[11]Gao Peng,Bai Xi,Yang Liang,et al.osa-MIR393：a salinity and alkaline stress-related microRNA gene[J].Molecular Biology Reports,2011,38(1)：237-242.

[12]Várallyay E,Válóczi A,Agyi A,et al.Plant virus-mediated induction of miR168 is associated with repression of ARGONAUTE1 accumulation[J].The EMBO Journal,2010,29(20)：3507-3519.

[13]Du Peng,Wu Jianguo,Zhang Jiayao,et al.Viral infection induces expression of novel phased microRNAs from conserved cellular microRNA precursors[J].PLoS Pathogens,2011,7(8)：e1002176.

[14]Pérez-Quintero A L,Neme R,Zapata A,et al.Plant micro RNAs and their role in defense against viruses：a bioinformatics approach[J].BMC Plant Biology,2010,10：138.

[15]Arteaga-Vázquez M,Caballero-Pérez J,Vielle-Calzada J P.A family of micrornas present in plants and animals[J].Plant Cell,2006,18(12)：3355-3369.

[16]崔娟娟,欒雨時.番茄響應生物脅迫相關miRNA的研究進展[J].生命科學研究,2014,18(6)：533-538.

(責任編輯：楊明麗)

研究簡報

Research Notes

Prediction and analysis of target genes of plant miRNAs in virus genomes

Wang Yanfang1, Zhao Yanhong2, Yu Jiali1, Liu Linde1

(1.School of Life Sciences,Ludong University,Yantai 264025,China;2.School of Agriculture,Ludong University,Yantai 264025,China)

miRNAs are a group of non-coding small RNAs and play important roles in regulating the development and stress responses of plants.Sequences of miRNAs from 12 plants were downloaded from miRBase.Viruses invaded these plants were searched in DPVweb and VIDE.The sequences of these viruses were searched in NCBI. There were totally 173 sequences of viruses collected.The online software psRNATarget was used to predict target genes of plant miRNAs in virus genomes.The results showed that the target genes included coat protein,reverse transcriptase,republication related protein,readthrough protein and many other genes.

miRNA; plant virus; prediction of target gene; bioinformatics

Q 752

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.06.024

2015-04-24

2015-06-05

國家自然科學基金項目(31201199);山東省自然科學基金項目(ZR2013CL013);水稻生物學國家重點實驗室開放項目(120201)

*通信作者 E-mail：zyhbob@163.com