MicroRNA-Studie ebnet Weg für Pflanzenverbesserung

MicroRNAs können Pflanzen resistenter gegen Dürre, Salzgehalt, Krankheitserreger und mehr machen. Allerdings geht aus einer Studie hervor, die in veröffentlicht wurde NaturpflanzenWissenschaftler von Texas A&M AgriLife Research zeigen, wie wenig wir über die komplexen Prozesse wissen, die Pflanzen zu ihrer Herstellung nutzen.

MicroRNAs sind kleine Moleküle, die Proteine ​​dazu bringen können, die Genexpression zu verringern. Durch die Entwicklung künstlicher Versionen können Wissenschaftler gezielt auf bestimmte Gene für die Verbesserung von Nutzpflanzen abzielen.

„Obwohl diese microRNA-Moleküle sehr klein sind, sind ihre Auswirkungen enorm“, sagte Xiuren Zhang, Ph.D., Christine Richardson, Professorin in der Abteilung für Biochemie und Biophysik am Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences Abteilung für Biologie am Texas A&M College of Arts and Sciences und Hauptforscher der Studie.

Mithilfe präziser Mutationen und cleverer Versuchsplanung haben Forscher von Texas A&M AgriLife die microRNA-Landschaft im Modellorganismus Arabidopsis thaliana neu bewertet und herausgefunden, dass weniger als die Hälfte davon korrekt als microRNAs identifiziert wurden, während die anderen falsch klassifiziert wurden oder weiterer Untersuchungen bedürfen.

Zusätzlich zur Aufklärung der authentischen microRNA-Moleküle in Arabidopsis thaliana bietet die Studie ein wirksames experimentelles Modell, um die Analyse an anderen Nutzpflanzen und sogar Tieren zu wiederholen, die wahrscheinlich einer ähnlichen Untersuchung bedürfen. Die Erkenntnisse des Teams halfen ihnen auch dabei, aktualisierte Richtlinien für die Entwicklung künstlicher microRNAs zu erstellen und so den Weg für die Verbesserung von Nutzpflanzen wie Mais, Weizen, Sojabohnen und Reis zu ebnen.

Xingxing Yan, wissenschaftlicher Mitarbeiter, und Changhao Li, Ph.D., wissenschaftlicher Postdoktorand, waren Co-Erstautoren der Studie.

Ein zehn Jahre altes Unternehmen

MicroRNAs haben eine einheitliche Länge von etwa 21 bis 24 Nukleotiden. Aber in Pflanzen gibt es ihre Vorläufer in verschiedenen Formen und Größen.

Aufgrund der strukturellen Vielfalt der Vorläufer war es schwierig zu bestimmen, welche Schlüsselmerkmale für ihre Verarbeitung am wichtigsten sind, und die Frage, wie microRNAs in Pflanzen erzeugt werden, blieb weitgehend unerforscht und unbestätigt.

Vor etwa zehn Jahren, sagte Zhang, entdeckten er und sein Labor ein Muster zwischen einer Schleife in der Struktur der Vorläufer-microRNA und der ersten Schnittstelle. Dieser erste Schnitt ist wichtig, da er das erste Nukleotid auf dem reifen microRNA-Molekül bestimmt, ein wichtiger Faktor, um es an die richtige Stelle in einer Zelle zu leiten.

Leider verfügten nur wenige der 326 mutmaßlichen microRNA-Vorläufer in Arabidopsis thaliana über die ideale Referenzschleife, die Zhangs Labor gefunden hatte, zumindest laut Computermodellen.

„Die Modelle basieren auf reiner Chemie“, erklärte Zhang. „Sie konzentrieren sich nur auf freie Energie, auf die stabilste Form. Dies kann jedoch nicht erklären, warum so viele unterschiedliche Vorprodukte zu Produkten gleicher Größe führen können. »

Anstatt sich auf Modelle zu verlassen, versuchte Zhangs Labor, microRNA-Vorläufer in Pflanzen zu überprüfen. Sie wollten die ersten Schnittstellen auf Vorläufern finden und deren strukturelle Determinanten in Zellen bestätigen.

Unerwartete Entdeckungen

Dazu haben die Forscher ganz spezifische Mutationen am Dicer-Protein vorgenommen, das, wie der Name schon sagt, für das präzise Schneiden der microRNA-Vorstufe verantwortlich ist. Normalerweise verhält sich das Protein wie zwei Hände, die einen Doppelstrang der Vorläufer-RNA halten und gleichzeitig eine Stelle in jedem Strang durchschneiden, bevor sie das RNA-Molekül freisetzen.

„Wir haben an zwei verschiedenen Stellen im Dicer-ähnlichen Protein Punktmutationen vorgenommen, um sie semiaktiv zu machen“, sagte Yan. „Auf diese Weise können sie nur einen Strang abschneiden und aufhören, bevor sie mit der Behandlung fortfahren. Dies gibt uns die Möglichkeit, die Zwischenprodukte des microRNA-Vorläufers einzufangen und uns die anfänglichen Verarbeitungsstellen und das erste Nukleotid mitzuteilen. »

Ihre Ergebnisse zeigten, dass nur 147 von 326 mutmaßlichen microRNA-Vorläufern definitiv mit dem Dicer-Protein interagieren, was sie als echte microRNA-Vorläufer kennzeichnet. Einundachtzig interagierten überhaupt nicht, was darauf hindeutet, dass sie als eine andere Art von RNA neu klassifiziert werden sollten. Etwa hundert davon bedürfen weiterer Forschung.

Das Team verwendete außerdem eine fortschrittliche Hochdurchsatztechnik und eine neue Berechnungsmethode, um die Strukturen von microRNA-Vorläufern in ihren natürlichen zellulären Bedingungen abzubilden, und stellte fest, dass von den 147 echten microRNA-Molekülen etwa 95 % ihrer Strukturen in Zellen von den Computervorhersagen abwichen .

„Wir haben mehrere Ergebnisse erhalten, die sich stark von den Vorhersagen und der Literatur unterschieden“, sagte Li. „Wir konnten die biochemischen Ergebnisse mit der Sequenzierung der nächsten Generation kombinieren, um mehr Informationen zu erhalten, und unser Verständnis der Strukturen ist jetzt viel genauer.“ . »

Die Zukunft

Das Team muss noch weitere microRNA-Vorläufer in Arabidopsis thaliana validieren, aber Zhang sagte, dass sie sich auf die Zusammenarbeit freuen, um die microRNA-Verarbeitung in landwirtschaftlichen Nutzpflanzen für praktischere Anwendungen zu untersuchen.

„Wir möchten mehr darüber erfahren, welche Art von microRNAs in anderen Nutzpflanzen vorkommen, wie sie verarbeitet werden und wie wir aus diesen Nutzpflanzen künstliche microRNAs herstellen können“, sagte er.

„Diese Studie stellt Ressourcen bereit, die umfassend genutzt werden können, und wir können sie nun nutzen, um andere Nutzpflanzen erneut zu untersuchen, herauszufinden, was repariert werden muss, und zu sehen, was wir sonst noch mit diesem Tool tun können.“ »