《Stress Biology》:Cross-kingdom RNA in plant–microbe interactions: from molecular interactions to next-generation crop protection
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跨界RNA(cross-kingdom RNA, CK-RNA)通讯是一种先进的概念,它通过揭示植物、真菌、细菌和病毒之间RNA介导的信号传导,增进了对界间互作的理解。本综述详细概述了CK-RNA机制,重点关注植物-微生物互作。通过RNA干扰(RNA inte
跨界RNA(cross-kingdom RNA, CK-RNA)通讯是一种先进的概念,它通过揭示植物、真菌、细菌和病毒之间RNA介导的信号传导,增进了对界间互作的理解。本综述详细概述了CK-RNA机制,重点关注植物-微生物互作。通过RNA干扰(RNA interference, RNAi),CK-RNA使生物体能够交换调节信号,这些信号影响跨界基因表达、防御反应、代谢和适应过程。此外,本综述重点介绍了CK-RNA的农业应用,包括喷雾诱导基因沉默(Spray-Induced Gene Silencing, SIGS)、宿主诱导基因沉默(Host-Induced Gene Silencing, HIGS)和微生物诱导基因沉默(Microbe-Induced Gene Silencing, MIGS),这些技术为传统化学防治提供了环境友好且可持续的替代方案。总体而言,将CK-RNA作为靶标与MIGS作为递送方法相结合,为可行且环境友好的作物保护提供了一条有前景的途径,符合环境可持续性和农业韧性的现代目标。
**跨界RNA在植物-微生物互作中的作用(Cross-kingdom RNA in plant–microbe interactions)**
跨界RNA(CK-RNA)通讯是指小RNA(sRNA)在不同生物界间转移并调控基因表达的现象,在植物-微生物系统中表现为双向调控机制。植物可将sRNA递送至病原真菌以沉默毒力基因,而病原体也可转移sRNA进入寄主植物以抑制免疫应答。这类RNA介导的交换构成复杂的种间调控网络,并催生了基于RNAi的作物保护策略。
**植物-真菌互作中的跨界RNA(CK-RNA in Plant-Fungal Interactions)**
**真菌到植物的跨界RNA通讯(Fungus-to-plant cross-kingdom RNA communication)**
致病真菌在侵染过程中释放sRNA进入寄主细胞,特异性沉默植物防御基因。灰霉菌(Botrytis cinerea)分泌Bc-siR3.1等sRNA劫持宿主AGO1复合体;锈菌Pst-milR1沉默小麦β-1,3-葡聚糖酶基因PR2;镰孢菌属(Fusarium)多种milRNA靶向寄主防御相关因子,如Foc-milR87抑制MaPTI6L,Fol-milR1干扰SlyFRG4与SlyAGO4a。水稻-纹枯病菌互作中,多个Rhi-milR沉默防御调控因子。在有益互作中,丛枝菌根真菌Rir2216抑制MtWRKY69促进共生,表明CK-RNA运输是致病与共生真菌共有的通讯策略。
**植物到真菌的跨界RNA(Cross-kingdom RNA from plant-to-fungus)**
植物通过胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)或直接细胞界面输出sRNA至真菌病原体。RNA结合蛋白参与sRNA分选与稳定,EV包裹保护RNA免受胞外降解。短柄草-禾谷镰刀菌系统中鉴定到258个植物来源sRNA靶向真菌mRNA,显著降低致病性。小麦miRNA可进入生防菌Clonostachys rosea并下调pks29,调节真菌次生代谢,显示植物sRNA在塑造有益微生物生理中也发挥作用。
**植物-细菌跨界RNA通讯(Plant–bacteria cross-kingdom RNA communication)**
**细菌到植物的跨界互作(Bacteria-to-plant cross-kingdom interactions)**
细菌病原体可通过外膜囊泡(outer membrane vesicles, OMVs)递送sRNA进入植物细胞。水稻条斑病黄单胞菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzicola)的OMV相关sRNA Xosr001靶向OsJMT1,干扰茉莉酸信号并抑制气孔免疫,表明细菌sRNA可作为移动调控效应子。
**植物到细菌的RNA通讯(Plant-to-bacteria RNA communication)**
植物释放胞外RNA进入质外体,通过EV依赖或非依赖途径被细菌摄取。拟南芥HIGS靶向丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)毒力基因Cfa6与HrpL可减少细菌定殖并抑制气孔再开放。植物来源sRNA也能抑制青枯菌(Ralstonia pseudosolanacearum)基因表达,支持植物sRNA作为直接靶向细菌的RNA防御策略。
**有益植物-细菌互作中的RNA通讯(RNA communication in beneficial plant–bacterial associations)**
根瘤菌-豆科共生中,植物miRNA通过miR160-ARF、miR171-NSP2等通路调节结瘤;大豆慢生根瘤菌(Bradyrhizobium japonicum)产生tRNA衍生片段(tRFs)利用宿主AGO1调控结瘤相关转录本。植物促生根际细菌(PGPR)可改变宿主胁迫响应miRNA表达,但自然条件下RNA双向运输证据仍有限。工程菌枯草芽孢杆菌和恶臭假单胞菌可将dsRNA包装于EV并递送至真菌病原体,展示MIGS潜力。
**植物-病毒互作中的RNA介导通讯(RNA-mediated communication in plant–virus interactions)**
**植物到病毒的RNA通讯:宿主抗病毒防御(Plant-to-virus RNA communication: host antiviral defense)**
植物以RNAi为核心抗病毒机制:病毒dsRNA被Dicer样(DCL)酶加工为病毒来源小干扰RNA(vsiRNA),装载入AGO蛋白形成RNA诱导沉默复合体(RISC),序列特异性降解病毒RNA,限制病毒复制与扩散。
**病毒到植物的RNA通讯:病毒对宿主基因表达的操控(Virus-to-plant RNA communication: viral manipulation of host gene expression)**
病毒可抑制并重编程宿主RNAi。水稻条纹病毒(RSV)改变miR444、miR168等miRNA水平;编码NS3蛋白结合sRNA抑制沉默并干扰miRNA合成。水稻黑条矮缩病毒(RBSDV)产生vsiRNA直接靶向宿主转录本,病毒激活的siRNA(vasiRNA)也可调控内源植物基因,表明病毒RNA能直接调节宿主基因表达。
**植物-病毒RNA互作的双向性与复杂性(Bidirectionality and complexity of plant–virus RNA interactions)**
植物-病毒互作呈现双向RNA调控动态。芜菁花叶病毒(TuMV)感染油菜的组学分析显示,病毒vsiRNA与宿主vasiRNA形成多层调控网络。此外,马铃薯病毒Y RNA的m6A修饰可促进病毒RNA降解并限制侵染,代表表观转录组调控参与抗病毒防御。
**跨界RNA在农业中的应用(Applications of cross-kingdom RNA in agriculture)**
**喷雾诱导基因沉默(Spray induced gene silencing, SIGS)**
SIGS是一种非转基因RNAi策略,将dsRNA/siRNA喷洒于植物表面以沉默病原体必需基因。dsRNA可被植物组织吸收并抑制入侵病原。该技术已广泛用于防治灰霉病、茎腐病、枯萎病等真菌病害;纳米载体