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随着RNA分子在基因表达调控中重要作用的发现，RNA分子如何在植物体内运输移动，如何在目标组织中发挥作用等问题引起人们越来越 多的关注．
携带信息的大分子物质(包括转录因子和RNA分子)在细胞和整个植物系统问运输的深入研究，产生了维管植物细胞间信号的新概念．大 分子信号在细胞间和整个植物中的移动，分别发生在胞间连丝和植物维管系统两种特殊结构中：a．转录因子如 KNOTTED-1、DEFICIENS、 GLOBOSA、LEAFY等经由胞问连丝传递的细胞问短距离通路，可以保持细胞质和内质网在相邻细胞间的连续性，并且在植物生长发育中起到重要 调控作用；b．在韧皮部和木质部中进行的水、植物激素、矿物质、糖和氨基酸等物质的长距离运输，完成了光合产物从源到库的转运，进一步 构成高等植物的维管输导系统． 通常，RNA分子作为遗传信息的载体，在产生它们的细胞中发挥作用．新近的研究表明RNA也作为一个活跃的信号分子，调控基因表达和 植物发育．而各种类型的RNA分子从合成位点长距离运输到植物不同组织的机制，逐渐成为人们的研究热点． 1 植物系统运输的RNA类型 在植物中，已知主要有3种RNA分子能够进行系统运输(图1)，即植物病毒基因组 RNA、转录后基因沉默(post-transcriptional gene silencing)的RNA信号和内源特异mRNA分子． 1.1 RNA病毒基因组 植物病毒侵入寄主细胞后，其局部侵染和系统侵染的形成涉及病毒在植物体内2种不同的转运模式：经过叶肉细胞胞间连丝来实现的胞 间转运(cell to cell movement)和经过维管系统的韧皮部筛管来实现的长距离转运(long distance transport)．近10年来对胞问转运的大量 研究，尤其是对烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus，TMV)在烟草叶肉细胞间转运机理的研究结果，使人们逐步明晰了病毒胞间转运的一些基 本步骤及转运机理，建立起了植物病毒胞间转运机理研究的基本模式． RNA病毒系统扩散的分子途径目前尚不清楚．绝大多数病毒在相应寄主植物中的长距离运输是由外壳蛋白(coat protein，CP)调控的． 许多实验结果表明，病毒能否顺利地进出维管系统是病毒建立系统侵染的关键．病毒进入筛分子(sieve elements， SE)和从SE转移出至周围薄 壁细胞是其长距离转运的两个过程，任何一个过程受阻碍均不能使病毒实现系统侵染．将烟草暴露在尚未达到毒害浓度的重金属镉中，在病毒 进入维管组织的过程不受影响的情况下，无毒的镉引发细胞因子的合成来干扰病毒移动，从而阻止病毒从维管组织的SE中转移至未侵染的其他 器官，是利用病毒RNA运输的一个调控机制来实现防治TMV的实例． 1.2 RNA沉默过程中的RNA信号分子 RNA沉默是由于转基因序列或外侵病毒与被沉默的内源或外源基因序列具有高度的同源性，其转录产物形成双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)结构，dsRNA可通过韧皮部传递，到达目标组织，进而引起特异RNA的降解．RNA沉默需要细胞间信号传递系统和信号扩增系统．已 有证据表明RNA沉默信号是长度为21～26个核苷酸的 dsRNA．当反义基因诱导或转基因反向插入内源启动子时，能够产生dsRNA(与目的基因转录 区序列同源)，然后dsRNA经过核内分解产生长度为21～23个核苷酸的小干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)促进同源RNA的降解，Klahre 等研究表明siRNA也能直接诱导基因沉默．dsRNA、 aberrant RNA和(或)siRNA既可通过胞间连丝进行短距离传递，也可以通过植物中的维管系 统长距离传递，并诱导整个植物产生系统沉默，两种传递方式是有差别的，在Himber等的文章中有详细的阐述． 嫁接可以作为研究植物系统沉默信号运输的有效手段．据报道，大多数沉默的砧木能够100％诱发接穗中相应基因的沉默．相反， 在利用9个独立的转基因株系作为接穗嫁接到未转化或带有异质转基因的砧木上时，并未观察到沉默现象．这些实验说明嫁接在表达的转基因株 系中不诱导沉默，嫁接实验对研究系统RNA沉默是有效的．通过嫁接实验得出，由农杆菌侵染和基因枪轰击诱导的系统沉默，具有序列特异性和 通过嫁接传播的能力．最新报道的异质嫁接实验结果表明，转CP基因沉默的砧木中所产生的siRNA，在韧皮部中长距离运输引起接穗中CP基因的 沉默． 1.3 内源特异RNA 植物在外源RNA(如病毒基因组或转基因)运输的基础上，产生了系统病毒感染、PTGS以及 RNA介导的病毒抗性，而内源RNA分子也能经过 植物维管系统运输．在已知的RNA系统运输中，内源mRNA细胞问运输的生物学意义最引人关注．玉米同源域蛋白KNOTTED1(KN1)能够结合它自身 的mRNA在分生组织的细胞间运输．KN1介导的 mRNA运输仅发生在局部，在特殊细胞层间，而其他细胞核内的某些特异mRNA能通过维管系统运输 ．例如叶片蔗糖转运蛋白SUT1的mRNA在伴胞(companion cells，CC)中转录，之后运输至SE再经韧皮部进行系统分布．通过原位杂交实验，在韧 皮系统的伴胞和SE中确实检测到了RNA编码的叶蔗糖转运子(sucrose transporter，SUT1)．SUT1主要存在于SE中，由于SE无细胞核，所以SUT1 mRNA首先在伴胞中转录，之后转运至邻近的SE并经由韧皮部转运到其他器官，SUT1 mRNA的运输与蔗糖的长距离运输的方式是一致的．除了 SUT1外，在韧皮部中还发现其他内源mRNA，在某种机制作用下定位于特殊组织，如CmPp16(16 ku Cucurbit maxima phloem protein)是南瓜的 一个韧皮蛋白，在CC-SE之间以序列非特异方式运输RNA．利用RT-PCR方法在异质嫁接南瓜的韧皮液，检测出有近100种mRNA存在于韧皮部中．一 些韧皮部转录物如马铃薯SUT1 mRNAt和水稻Thioredoxinh mRNA可以在整个植物中运输．而有些韧皮部的mRNA则在某些机制作用下运输到特定组 织中．Ruiz-Medrano等用南瓜/黄瓜进行异质嫁接实验，对其中一个mRNA转录物 CmNACP(Cucurbit maxima non-autonomous cell protein)做了 详细研究，发现大量转录物从南瓜砧木移动到黄瓜接穗的分生组织中，说明mRNA系统运输发生在分生组织，是mRNA分子远距离控制基因表达作 用的一个实例，这与PTGS中的系统信号相类似，重要的是CmNACP mRNA的韧皮部运输与其他已知的系统RNA运输不同，它的目标是一个特定组织( 如顶芽)． CmPp16蛋白作为分子伴侣加强内源mRNA在韧皮部的运输功能，南瓜的韧皮液蛋白 CmNACP mRNA与它们的同源mRNA分子一起从伴胞运输到 筛分子．同时由于CmNACP mRNA的选择性，还需要一个蛋白质特异地识别这个 mRNA并将此mRNA运输到顶端组织，即 CmPp16蛋白．有关CmNACP mRNA或其他 mRNA长距离运输的生物学基本原理已有报道，微注射实验表明，当 CmPp16、TMV MP、CMV3a MP或KN1与NtNCAPPl共注射到NtNCAPP1的显性突变体时，前两种蛋白质被抑制而后两种不受影响；在NtNCAPP1突变体和 反义NtNCAPP1 cDNA的转基因烟草中，观察到同样蛋白质运输的选择性抑制．这些结果表明NtNCAPPI在介导选择性蛋白的细胞问运输中的作用． 总之，NCAP(non-cell autonomous protein)传递到胞问连丝的模型具有选择性，并且可以对其进行调控． 2 植物中RNA运输的生物学机制 生物学活跃的RNA分子在体内进行系统运输时，应该有一定的选择机制对其加以控制．RNA分子是如何进入韧皮部、在韧皮部中运输以及 怎样移出韧皮部到达目标组织还不很清楚．但近年来利用植物病原作为模式系统的研究，开始揭开这个运输调控系统的神秘面纱． 马铃薯纺锤块茎类病毒(potato spindle tuber viroid，PSTVd)是一个小的非编码、能自我复制的 RNA，对PSTVd在烟草中系统侵染的 研究结果表明：不同的机制调控RNA进出韧皮部．由于类病毒RNA不编码蛋白质，所以它的运输方式可以提供调控RNA运输细胞机制的直接证据． 值得注意的是，植物病毒诱导病毒抗性的机制与PTGS系统沉默相似．PTGS剪接子和几种植物病毒的系统运输(如黄瓜花叶病毒，CMV)， 不同于细胞内转录物的系统运输（如PFP-LeT6 and CmNACP mRNAl），前者发生在整个植物中但通常不包括新生的分生组织，而后者则可以运输 到分生组织发挥调节作用．这样植物可在分生组织周围形成一个防御墙，保护新生组织免受病毒感染和 PTGS影响，一直保持最初特异的内源 mRNA．有2个实验能够有力证明特异蛋白和RNA运输对植物功能的重要作用．一个是关于拟南芥中一个产生于根部的转录因子SHORT-ROOT，它可 以调节性地运输到邻近细胞层，这对于内皮层的发育是很必要的；另一个能充分说明转运的mRNA在目标组织中控制基因表达的实验，是由Sinha 实验室的 Kim等完成的，他们对细胞问移动mRNA种类的确定证实了内源mRNA作为长距离运输系统信号的可能性．Kim等利用两个不同的番茄株系 ，Xa系携带半显性的叶黄素突变体，引起野生型叶片变黄，Me系带有一个显性鼠耳叶(Mouse ear，Me)突变引起的羽状复叶，Me突变体由一个 PFP-LeT6（焦磷酸依赖型磷酸酶PFP和番茄KN1相似同源基因LeT6)的融合基因引发．他们用与研究RNA沉默信号类似的嫁接方法，即将Xa接穗嫁 接到Me砧木上观察到接穗中出现了羽状复叶(图2)．在共聚焦电子显微镜下观察异质嫁接的顶芽，揭示出叶形的改变发生在叶片发育早期．这些 结果说明，在Xa接穗中的表型变化可能受Me砧木信号物质影响而产生的．在反向嫁接实验即将Me接到Xa上，没有引起Me接穗的表型变化，证明 变化诱导物质只能从砧木到接穗单方向运输，可能和光合产物一起传送．在PTGS信号和植物病毒的系统运输中也存在与此相似的单向运输． 关于蛋白质和RNA经由胞间连丝和韧皮部系统运输，来调控邻近或远处细胞基因表达的研究情况，最近有几个很好的综述可以提供相应 的信息．对于调控蛋白质和RNA系统运输的机制 Ding等进行了详尽叙述． 3 研究植物中RNA系统运输的意义 植物中RNA系统运输的深入研究，在揭示植物体内基因表达的调控机理方面具有重要意义．今后关于蛋白质和RNA运输的研究应主要集中 在其作用机制和功能上．具体包括以下几个研究方向：系统运输的蛋白质和RNA种类的进一步鉴定；调节长距离运输的蛋白质或RNA作用的阐明 ；调节这种运输的细胞因子(包括胞间连丝成分)的确定；此运输在植物生长、发育及对环境适应方面所起的作用．嫁接及生物粒子轰击技术可 以作为研究RNA系统运输的两个有效手段．此外，目前园艺作物的生产过程中，广泛应用嫁接技术，对嫁接植物中 RNA系统运输的研究，可以在 生产实践中发挥积极的指导作用，如嫁接植物品质变化机理、抗病性提高机理等． 注： （1）参考文献：略；需者可与本站Email联系，或到中国水稻研究所图书馆查阅； （2）文章来源：生物化学和生物物理进展，2005年32卷第3期； （3）作者单位：东北师范大学细胞遗传所。 |
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