综述 | Int. J. Mol. Sci. ：长链非编码RNA在植物防御真菌胁迫中的作用（国人作品）
编译：冬日暖阳，编辑：十九、江舜尧。
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长链非编码RNA（Long non-coding RNAs，LncRNA）是从真核生物的非功能基因区转录出来的一组长度超过200nt、无明显编码潜能的RNA转录产物。最近的研究表明，lncRNAs应该直接或间接地成为蛋白质编码基因表达水平的关键调控因子。与哺乳动物研究相比，植物lncRNAs的功能解析还远远落后。幸运的是，近几年来，植物lncRNAs的鉴定在很大程度上赶上了哺乳动物的研究领域，特别是利用对植物转录体的高分辨率分析，这也使得对植物lncRNAs的研究更加全面。新的证据表明，lncRNAs在植物发育的各种生物学过程中发挥着关键作用，包括开花、根器官发生、幼苗光形态发生、繁殖和抵御真菌感染。根据长ncRNAs的一般位置，将其分为长内含子ncRNAs、启动子lncRNAs、长基因间ncRNAs（lincRNAs）和天然反义转录本（lncNATs）。天然反义转录物可通过互补碱基配对靶向mRNA并形成RNA二聚体，最终阻断人转录因子的结合位点。一些lncRNA结合miRNAs并竞争性地抑制miRNAs与靶mRNA之间的相互作用以调节基因表达。LincRNA转录似乎对附近基因的表达产生积极或消极的影响，尽管并非所有基因都是活跃的。因此，植物中的lncRNAs可以被认为是基因调控的重要组成部分，是一种潜在的抗病基因资源。植物在其生命周期中必须不断地适应偶然和不可避免的环境胁迫，不仅是非生物的，而且是生物的。例如，条锈病和白粉病是小麦的两种重要真菌病害，在流行年均对作物造成重大危害，威胁着我国的粮食安全。因此，了解小麦的抗病机理，无疑有助于控制病害，减少作物损失。由于植物缺乏循环细胞，它们依靠感染部位发出的系统信号来触发先天免疫，特别是植物激素。激素处理的小麦转录组显示，约92%的脱落酸（ABA）反应基因在禾谷镰刀菌感染后同样表达。在这个过程中，涉及到数千个基因，包括功能基因和由特定基因组区域编码的非编码RNA（ncRNAs），它们占基因组的90%。大规模测序分析显示，大多数真核生物基因组被转录成RNAs，包括短的和长的ncRNAs。然而，关于lncRNAs在植物防御中的作用的详细信息还没有得到很好的总结。因此，大量与植物免疫相关的mRNA与lncRNA直接或间接相互作用的研究，对于深入研究lncRNAs在植物体内的功能机制具有重要意义。本文描述了对植物lncRNA的鉴定，以及它们是如何作用的，重点是对作物的研究和作者对lncRNA作为microRNA前体、分子海绵和诱饵的功能的新理解，lncRNA在调节转录和沉默中的功能，特别是在选择性剪接中的功能，抗真菌病的表观遗传调控。
论文ID
原名：The Emerging Role of Long Non-Coding RNAs in Plant Defense Against Fungal Stress
译名：长链非编码RNA在植物防御真菌胁迫中的作用
期刊：Int. J. Mol. Sci
发表时间：2020.3.22
影响因子：4.183
通讯作者：吉万全
通讯作者单位：西北农林科技大学
DOI号：10.3390/ijms21082659
主要内容
1.在植物中捕获LncRNA
在过去的十年中，研究lncRNA在植物的各种生物过程中的作用的文献有所增加。这些努力已经确定了lncRNA的多种分子功能（表1）。从拟南芥中的200多个转录组数据集中，鉴定出约40,000个候选lncRNA，包括NAT（> 30,000）和lincRNA（> 6000）。统计数据表明，拟南芥中约70％的蛋白质编码基因座从相反链转录了候选NAT对。一些NAT对显示完全重叠（约60％），但另一些在5'或3'末端具有互补的区段。由于在拟南芥中证实了该作用，因此在农作物中使LncRNA富集和多样化。毛果杨中共有2542个lincRNA候选物，玉米中有近10,000个lncRNA，木薯中有682个高可信度lncRNA。在水稻中，通过执行全转录组链特异性RNA测序（ssRNA-seq），验证了2224个参与生殖过程的lncRNA 和2588个在氮饥饿下编码基因座的新型推定lncRNA。在甘蓝型油菜中，在全基因组水平分别鉴定了油菜双歧杆菌，油菜双歧杆菌和油菜双歧杆菌的lncRNA 1885、1910和1299。在番茄抗疫霉感染过程中，从番茄植株中鉴定出9011个lncRNA。在六倍体小麦中，使用低效率的Race实验或高效测序技术捕获了聚腺苷酸化的lncRNA和lncNAT，而据报道它们在小麦对真菌感染的应答中也起着作用。值得注意的是，使用全基因组微阵列分析，SBS测序和RNA-Seq数据鉴定了小麦中的真菌反应性lncRNA，并预测了其功能。Zhang等使用RNA测序（RNA-Seq）从小麦幼苗中鉴定了58,218个lincRNA，并预测了283 DE-lincRNA的功能与小麦与真菌的相互作用有关。lncRNA的这些研究为研究lncRNA的功能和植物对真菌的防御机制奠定了基础。
表1.在真菌病原体胁迫下在植物中鉴定出的长链非编码RNA（lncRNA）的列表
2 LncRNAs在植物抗真菌胁迫中的作用
植物利用两种主要的免疫受体抵抗疾病，受体样激酶或受体样蛋白（RLKs/RLPs）和抗病功能蛋白（R）负责病原体识别和随后的防御诱导。在这个反馈控制回路中，所有涉及的功能基因及其调控因子的表达都受到转录和转录后调控的影响。LncRNAs的表达水平较低，与mRNAs相比序列保守性很低，因此早期的研究表明LncRNAs可能是转录噪声的结果。然而，有证据表明，许多lncRNA在真核细胞的大量不同分子过程中发挥作用。在植物中，lncRNA的功能主要表现在幼苗的光形态发生、根的器官发生、开花时间控制、非生物胁迫反应和生殖等方面。近年来，由于植物对不同病原菌适应的重要防御调节作用，调节抗性的lncRNA也不断在植物中被发现，但相关报道较少。这一特征可以概括为三个一般表达和结构性质。首先，许多lncRNA不仅是聚腺苷酸化和封端的，而且是非聚腺苷酸化的。第二，lncRNAs的表达水平往往低于蛋白质编码基因，但具有精确的时空模式。第三，一些lncRNAs含有外显子的一部分，而一部分lncRNAs来自转座元件（TEs）或含有TEs的残余物。研究人员重点研究了植物对真菌的反应和调节功能，以及lncRNAs的最新研究。
通过miRNA和siRNA前体调控LncRNA抵抗真菌胁迫：尽管现在越来越多地显示出植物长链非编码RNA（lncRNA）作为调节分子参与生物过程，但许多成员的功能作用仍是植物中的一个谜。最近的报告表明，lncRNA可能与其他类型的非编码RNA相互作用，包括microRNA（miRNA）。 MicroRNA是内源性短ncRNA（21-24个核苷酸），通过在转录后水平上抑制基因翻译或降解靶mRNA发挥重要的调控作用。通过将miRNA映射到125个lncRNA，Xin等人确定了四个转录本，并鉴定了显示稳定发夹结构的microRNA（miRNA）前体（TalnRNA5，TapmlnRNA8，TapmlnRNA19，TahlnRNA27）。在四个长npcRNA中，TalnRNA5，TapmlnRNA19和TapmlnRNA8对白粉病感染有反应。通过与较小的RNA-seq数据进行比较，Li等人发现42个lncNATs和有义基因对可以在木薯中产生nat-siRNA。同样，High等还确定了24个lncRNA，它们在甜瓜中起白粉病的作用，成为microRNA（miRNA）的前体。这些结果表明，lncRNA在作为miRNA或siRNA的前体的功能基因的调控中发挥着作用。
防御真菌应激（如分子海绵和/或诱饵）的规则：除了调节剂作为miRNA前体的作用外，lncRNAs也是植物中miRNA的潜在靶标和内源性靶标模拟物（eTM）。例如，在被认为是165个miRNA靶标的466个lincRNA中，有86个lincRNA被认为是玉米中58个miRNA诱饵。共有16种lncRNA被确定为木薯已知miRNA的推定靶标模拟物。High确定了瓜中有43个lncRNAs作为潜在靶标，有13个lncRNAs作为内源性靶标模拟物（eTM）。类似地，发现slylnc0195，slylnc1077和14-nt缺失的SlLNR1充当番茄中针对TYLCV的miRNA的诱饵，而发现一些lncRNA在响应中调节MYB，HD-Zip和NAC转录因子通过分别诱变miR159，miR166b和miR164a-5p感染疫霉疫霉菌。此外，LncRNA39026可通过诱变miR168a并诱导PR基因的表达来增强番茄对P. infestans的抗性。 lncRNA直接作为FIBRILLARIN 2（FIB2）的分子诱饵与蛋白质介质结合，从而调节拟南芥中ELF18诱导的长链非编码RNA1（ELENA1）调控PR1的基因转录。在小麦中感染Bgt和Pst之后，使用psRNATarget预测101个lncRNA是miRNA的靶标，包括miR156，miR160，miR164，miR167，miR393，miR398，miR829等。此外，从响应真菌的DE-lncRNAs中鉴定出五种靶标模拟物，它们分别靶标tae-miR167a，ath-miR390a，ata-miR156d-3p，ata-miR160a-3p，ath-miR394a，ata-miR395c-5p和ath-miR miR399b。随后，Q-PCR结果显示，Bgt接种后，lncRNA T13.17661和TraesCS1B02G415800.1（均被miR399b靶向）的基因表达水平较低且稳定，但与之相比，miRNA399b的表达上调了4至7倍在抗性背景下降至0 hpi。无论miRNA调控元件是否集中在长链非编码转录本的中部区域和3'末端（如在斑马鱼中），这提供了一个提示，即lincRNA可以通过miRNA调控与功能基因竞争性相互作用。简而言之，尽管在植物抗性领域中关于miRNA和lncRNA的实验数据仍然不足，但这些数据证实了lncRNA可以作为与miRNA的调节相互作用的一层参与，因此涉及植物对真菌的免疫力。
3 LncRNAs在基因转录中的调控机制
图1. LncRNA功能基因分类和调控机制的示意图
4 植物抗病相关基因的分子网络
5 植物抗病相关基因的研究进展
不幸的是，上述大多数分子海绵和/或诱饵都是基于生物信息学分析。相比之下，到目前为止，只有少数与植物免疫有关的lncRNAs在功能上得到了表征。然而，来自拟南芥（A.thaliana）的非编码RNA IPS1（由缺磷诱导）通过分离由缺磷诱导的miRNA miR-399改变了PHO2 mRNA的稳定性的报告给出了植物中功能性lncRNA的第一个成功例子。另一个例子是长链非编码miRNA基因Iw1（WAX1的抑制剂）靶向W1-COE，抑制小麦β-二酮waxes的合成。类似地，linncRNA-COLDAIR（冷辅助内含子非编码RNA）和lncNAT-COOLAIR与春化介导的FLC表观遗传抑制有关。ELF18诱导的长链非编码RNA1（ELENA1）是提高注射用假单胞菌pv耐药性的一个因素。番茄DC3000直接与FIB2和介体亚基19a（FIB2/MED19a）相互作用，影响MED19a在PR1启动子上的富集。高表达的lncRNA-LAIR被证明能提高水稻的产量并调节邻近基因簇的表达。尽管大多数的实验都集中在植物的发育上，但毫无疑问，这些工作给了研究人员在植物中寻找对病原体胁迫有反应的功能性lncRNA的信心。
结论
与动物不同，植物依靠感染部位发出的系统信号，通过抵抗（R）基因触发先天免疫，植物的R基因经常被流行性病原体所克服。了解抗病机理无疑有助于控制病害，减少作物损失。在这个过程中，包括lncRNAs在内的数千个基因被牵连。长链非编码RNA与植物免疫的结合刺激了研究人员开发lncRNA调节机制以增强植物对疾病的免疫。然而，对lncRNAs在植物中功能的研究还很有限。尽管全球都认识到植物lncRNAs的保护目的，但其功能中精确的抗致病防御部分却缺乏。事实上，缺乏lncRNA序列的相似性必然会对作物中同源lncRNA的鉴定提出挑战。有希望的是，利用作物与其对应的模式植物之间的共通区域，加快识别“功能性”lncRNA的步伐。在这里，作者总结了真菌感染植物中长链非编码RNA，并评估了lncRNAs可能对功能基因的调节作用。研究结果提示，lncRNAs可能在调控等位基因特异性基因（包括转录因子）中发挥重要作用。这些结果将有助于从转录水平和转录后水平进一步剖析lncRNAs功能的分子机制，特别是在植物-真菌相互作用中的作用，因为病原体也可能通过lncRNAs的发育增强毒力。最后，我们概述了用于鉴定和鉴定植物lncRNAs的新技术和数据库，这将有助于今后进一步研究不同类型的作物抗性相关基因。我们相信lncRNAs将丰富TF基因等抗病基因资源，用于作物的生物技术改良，因为在模式植物中已经证实了lncRNAs的多种调节功能。总之，我们期望进一步研究lncRNA介导的植物抗病性，将有助于科学家加强全球粮食安全。
评论
越来越多的兴趣和最近的证据已将长链非编码RNA（lncRNA）鉴定为真核生物的潜在调控元件。 LncRNA可以激活多种转录和转录后事件，这些事件通过多种调节功能影响细胞功能。最近，在高等植物中也已经鉴定出大量的lncRNA，并且对它们在植物对感染的抗性中的功能作用的认识正在逐渐形成。本综述重点研究它们在农作物中的鉴定，并讨论它们在模型病原体胁迫反应中的潜在调控功能和lncRNA-miRNA-mRNA网络。从对植物lncRNA的这一巨大特殊群体的深入了解中获得的知识将有助于改善作物的生物技术。
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