miRNA在植物病毒基因组中的靶基因预测及分析

王艳芳, 赵彦宏, 于佳丽, 刘林德

(1.鲁东大学生命科学学院,烟台 264025;2.鲁东大学农学院,烟台 264025)

miRNA在植物病毒基因组中的靶基因预测及分析

王艳芳1, 赵彦宏2*, 于佳丽1, 刘林德1

(1.鲁东大学生命科学学院,烟台 264025;2.鲁东大学农学院,烟台 264025)

microRNA(miRNA)是一类长约22 nt的内源性的非编码小RNA,在植物的生长发育和胁迫响应中起重要调控作用。本文通过生物信息学的方法,在miRBase中下载了12种植物的miRNA序列;在DPVweb和VIDE病毒数据库中查找侵染这些植物的病毒,并在NCBI数据库中搜索其基因组序列,共获得173种病毒的基因组序列。用psRNATarget在线软件预测植物miRNA在植物病毒中的靶基因,发现植物miRNA可能参与调控包括聚合蛋白、衣壳蛋白、逆转录酶、复制相关基因、通读蛋白、依赖RNA的RNA聚合酶等多种植物病毒基因的表达。

miRNA; 植物病毒; 靶基因预测; 生物信息学

microRNA(miRNA)是一类长约22 nt的内源性的单链非编码小RNA,广泛存在于生物体中[1]。miRNA在转录后水平通过序列互补识别靶基因,并引起靶基因的降解或抑制其翻译,达到抑制特定基因表达的目的[2]。自2002年发现第一个植物miRNA以来[3],植物miRNA的功能引起人们广泛的重视。研究表明,miRNA在植物生长发育、激素调节与信号转导以及各种生物与非生物胁迫反应中起重要的调控作用[4-5]。

miRNA在植物响应胁迫过程中的调控作用是人们关注的重点之一。在非生物胁迫中,很多植物miRNA能响应低氮[6]、低磷[7]、低硫[8]等矿质元素的胁迫;植物miRNA的表达也受干旱[9]、低温[10]和高盐[10]等环境因素的影响。植物miRNA对生物胁迫的响应也有报道。miRNA393是第一个发现的受病原菌侵染负调控的miRNA[11];烟草花叶病毒(Tobacco mosaic virus)等4种植物病毒侵染本氏烟后烟草体内miR168表达量显著上升[12];被水稻条纹病毒(Rice stripe virus)侵染后的植物体内可检测出多种新的miRNA[13]。

植物遭受病毒侵染后,miRNA对入侵病毒调控的研究主要集中在植物miRNA表达量的变化上。事实上,植物抵抗病毒侵染的过程是双向的,既表现在病毒通过miRNA干扰寄主植物的基因表达,又表现在植物miRNA对病毒基因表达的抑制作用[14]。本文从miRBase数据库下载了12种植物的miRNA序列,同时收集了这12种植物的病毒基因组序列,用psRNATarget在线软件预测植物miRNA序列在植物病毒基因组中的靶基因,并对它们的功能进行分析,探讨植物miRNA对植物病毒基因的表达调控。

1 材料与方法

1.1 植物miRNA序列的获取

植物miRNA序列从miRBase Release 19(http：∥www.mirbase.org/)数据库中获得。

1.2 植物病毒信息的收集

植物病毒基因组信息从病毒数据库DPVweb (http：∥www.dpvweb.net/index.php)和VIDE (http：∥www.agls.uidaho.edu/ebi/vide/)中查询。

1.3 植物病毒基因组序列的获取

从上述病毒数据库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组序列。

1.4 miRNA在植物病毒中的靶基因预测

用psRNATarget(http：∥plantgrn.noble.org/ psRNATarget/?function=3)在线软件进行miRNA在植物病毒基因组中的靶基因预测。参数为默认值。

2 结果分析

2.1 植物miRNA与植物病毒的基本信息

以玉米、柑橘、番茄等12种植物的miRNA为研究对象。从miRBase Release 19下载并整理12种植物的miRNA(表1)。12种植物miRNA数量差异较大,水稻最多,接近600个miRNA,豇豆最少,只有18个。

表1 12种植物的miRNA数量Table 1 Number of miRNA in 12 plants

从病毒数据库DPVweb和VIDE中搜索侵染上述12种植物的病毒,并在NCBI搜索这些病毒的基因组序列,共搜索到173个病毒基因组序列(结果未列出),从每种植物对应的病毒基因组序列数目(表2)可以看出,不同植物的病毒基因组数目也不尽相同,搜索到的番茄病毒基因组最多,共65个,高粱只有2个。本研究只对搜索到的全基因组序列的病毒进行植物miRNA靶基因预测。

2.2 靶基因预测

用psRNATarget对12种植物miRNA在173个病毒基因组中的靶基因进行预测,结果(表2)表明,每种植物都有部分对应的病毒基因组预测到了miRNA的靶基因位点,173个病毒中有50个病毒预测到了潜在靶基因,约28.9%;对于植物miRNA,从miRBase中共下载2 037条miRNA序列,其中298条在这173个植物病毒中有潜在靶基因,约占总miRNA的14.7%。

表2 植物miRNA在病毒基因组中的靶基因预测Table 2 Prediction of target gene of plant miRNA in virus genomes

值得注意的是,搜索到全基因组序列的16个侵染水稻的病毒中,有14个病毒基因组预测到水稻miRNA的潜在靶基因,占侵染病毒总数的87.54%;而可以与水稻病毒匹配的miRNA也多达232个,占水稻总miRNA数目的29.2%。可以推断水稻miRNA与水稻病毒之间可能存在大量的互作。

植物miRNA大部分是保守的[15],miRNA家族的保守性不仅体现在序列的保守性,功能上也具有一定的保守性。对miRNA家族在植物病毒基因组中的靶基因分析发现(图1),miR-156家族在植物病毒基因组中的靶基因最多,有21个靶基因,miR-169和miR-171分别有15和12个靶基因,也有一些miRNA没有预测到靶基因(未列出)。

图1 不同miRNA家族在植物病毒基因组中的靶基因数Fig.1 Number of target gene of different miRNA families in virus genomes

2.3 靶基因功能分析

对预测到的靶基因进行功能分析,发现植物miRNA在植物病毒基因组中的靶基因功能呈现多样化,包括聚合蛋白、糖蛋白、衣壳蛋白、逆转录酶、复制相关基因、通读蛋白、依赖RNA的RNA聚合酶等(表3)。这些基因可能参与植物病毒侵染寄主植物的过程,如植物病毒的复制、病毒大分子合成和组装等。说明植物miRNA通过多种途径调控植物病毒的入侵。

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

从表3可以看出,水稻miRNA预测到的靶基因最多,在14个病毒基因组中共预测到99个靶基因;其次是葡萄和大豆,分别预测到21和12个靶基因;其他作物预测到的靶基因数为1～7个。

从预测到的靶基因功能来看,植物miRNA主要参与调控病毒复制相关蛋白、聚合蛋白和依赖RNA的RNA聚合酶,以及参与病毒组装的衣壳蛋白的基因。

下面以病毒基因组数目最多的番茄为例,介绍miRNA在番茄病毒基因组中靶基因预测结果(表4)。通过靶基因预测发现,sly-miR159、sly-miR171和sly-miR172等3个番茄miRNA的靶序列有巴基斯坦番茄卷叶病毒(Tomato leaf curl Pakistan virus)等10个番茄病毒基因组。功能分析表明,3个miRNA的靶基因功能分为4种类型,即衣壳蛋白、复制相关蛋白、聚合蛋白和症状表达相关蛋白。

3 讨论

植物miRNA作为植物生长发育、抗逆过程的重要调控因子,备受关注。随着测序技术的完善、研究的深入,越来越多的植物miRNA被挖掘,与发现的植物miRNA数量相比,植物miRNA的功能研究相对滞后。通过生物信息学方法预测植物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

与生物胁迫相关的植物miRNA的研究已经取得了重大突破,这些成果对植物抗病研究具有重要意义[16]。本研究采用生物信息学方法预测植物miRNA在植物病毒基因组中的靶基因,为植物防御病毒的研究提供了新思路。根据预测结果,在12种植物各自的病原病毒基因组中都或多或少预测到靶基因,证明这种方法切实可行。植物miRNA在植物病毒中的靶基因种类很多,包括聚合蛋白、糖蛋白、衣壳蛋白、逆转录酶等,说明植物miRNA通过多种渠道对植物病毒的侵染进行调控。

另外,本研究所选的12种植物中以水稻miRNA数量最多,在病毒中预测到的靶基因也最多;花生、大麦和柑橘等植物的miRNA数量较少,预测到的靶基因也较少。可以推断,随着植物miRNA数量的增加,会预测到更多的靶基因,有利于我们进一步探讨植物miRNA对植物病毒侵染的调控。

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(责任编辑：杨明丽)

研究简报

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

国家自然科学基金项目(31201199);山东省自然科学基金项目(ZR2013CL013);水稻生物学国家重点实验室开放项目(120201)

*通信作者 E-mail：zyhbob@163.com