Plant Protection from Viral Infection through the Application of Double-Stranded RNA in Nicotiana Benthamiana

Abstract

RNA interference (RNAi) is a regulatory mechanism of gene expression mediated by small RNAs. By using the RNAi technique, exogenous double-stranded RNA (dsRNA) designed to target mRNA, suppresses target gene expression levels in plants. In this study, we adopted the RNAi mechanism as a tool to protect plants from viruses. We designed and synthesized several dsRNAs targeting the pepper mottle virus (PepMoV) genes, helper component-proteinase (HC-Pro) and nuclear inclusion b (NIb). When used on Nicotiana benthamiana plants, these dsRNAs protected the plant against viral infection over a specific period. By optimizing dsRNA and virus injection time, the protection efficiency of dsRNA by targeting virus genes could be maximized. It seems that exogenous dsRNA-derived RNA-induced silencing complex was able to defend the host against viral infection instantly. Furthermore, each dsRNA designed to target different regions within a transcript had varying levels of effects on virus survival in the host plants. When targeting the middle part of both the NIb and HC-Pro genes using the dsRNAs, the highest viral growth inhibitory effect was observed. An RLM-5′ RACE was performed using plant leaves infected with PepMoV after dsRNA treatment and it was observed that most of the mRNA cleavages occurred close to the 3′ part within the dsRNA target position on the mRNA. These results suggest that the dsRNA tool can be used as a plant vaccine platform for crop protection.

RNA간섭은 small RNA에 의해 유전자의 발현이 조절되는 현상이다. mRNA를 표적하는 double-stranded RNA (dsRNA) 의 처리로 RNA 간섭 현상을 일으킬 수 있으므로, 외래합성 dsRNA는 식물체 내 표적 유전자의 발현 수준을 억제하기 위해 사용된다. 본 연구에서는 바이러스로부터 식물을 보호하기 위해 RNA 간섭 현상을 이용한다. Pepper mottle virus (PepMoV)의 helper-component-proteinase (HC-pro) 유전자와 nuclear inclusion b (NIb) 유전자를 대상으로, 이를 표적하는 여러 dsRNA를 디자인하고 합성했다. Nicotiana Benthamiana에 PepMoV와 PepMoV 표적 dsRNA를 함께 처리했을 때, dsRNA가 특정 기간 동안 바이러스의 감염으로부터 식물체를 보호했다. dsRNA와 바이러스 처리 기간을 최적화함으로써 dsRNA의 식물 보호 효율을 극대화하였다. 식물체에 선처리된 외래합성 dsRNA로부터 비롯된 RNA induced silencing complex의 생성이 바이러스의 감염으로부터 식물체를 즉각적으로 방어할 수 있었던 것으로 보인다. 또한, 동일 유전자 내의 서로 다른 구간을 대상으로 디자인된 각 dsRNA는, 동일 유전자를 표적하더라도 바이러스 증식에 미치는 영향의 수준이 서로 달랐다. HC-pro와 NIb 유전자의 중간 구간을 표적하는 dsRNA의 처리 시, 가장 높은 바이러스 증식 억제 효과가 관찰되었다. dsRNA 선처리 후 PepMoV를 감염시킨 식물 잎을 사용하여 RLM-5′ RACE를 수행한 결과, mRNA의 3′부근에서 대부분의 절단이 발생한 것으로 보인다. 본 연구 결과는 RNA 간섭 현상을 일으키는 dsRNA가 농작물 보호를 위한 식물 백신 플랫폼으로써 사용될 수 있음을 시사한다.