MicroRNA (miRNA) plays vital roles in the regulation of both plant architecture and stress resistance through cleavage or translation inhibition of the target messenger RNAs (mRNAs). However, miRNA-induced gene silencing remains a major challenge in vivo due to the low delivery efficiency and instability of miRNA, thus an efficient and simple method is urgently needed for miRNA transformation. Previous researches have constructed a star polycation (SPc)-mediated transdermal double-stranded RNA (dsRNA) delivery system, achieving efficient dsRNA delivery and gene silencing in insect pests. Here, we tested SPc-based platform for direct delivery of double-stranded precursor miRNA (ds-MIRNA) into protoplasts and plants. The results showed that SPc could assemble with ds-MIRNA through electrostatic interaction to form nano-sized ds-MIRNA/SPc complex. The complex could penetrate the root cortex and be systematically transported through the vascular tissue in seedlings of Arabidopsis and maize. Meanwhile, the complex could up-regulate the expression of endocytosis-related genes in both protoplasts and plants to promote the cellular uptake. Furthermore, the SPc-delivered ds-MIRNA could efficiently increase mature miRNA amount to suppress the target gene expression, and the similar phenotypes of Arabidopsis and maize were observed compared to the transgenic plants overexpressing miRNA. To our knowledge, we report the first construction and application of star polycation nanocarrier-based platform for miRNA delivery in plants, which explores a new enable approach of plant biotechnology with efficient transformation for agricultural application.

中文翻译：

---

基于星型聚阳离子纳米载体的microRNA递送系统在拟南芥和玉米中的构建及应用

MicroRNA (miRNA) 通过靶信使 RNA (mRNA) 的切割或翻译抑制在植物结构和抗逆性的调节中发挥重要作用。然而，由于miRNA的低传递效率和不稳定性，miRNA诱导的基因沉默仍然是体内的主要挑战，因此迫切需要一种高效且简单的方法来进行miRNA转化。以往的研究已经构建了星型聚阳离子（SPc）介导的经皮双链RNA（dsRNA）递送系统，实现了害虫的高效dsRNA递送和基因沉默。在这里，我们测试了基于 SPc 的平台，用于将双链前体 miRNA (ds-MIRNA) 直接递送到原生质体和植物中。结果表明SPc可以通过静电作用与ds-MIRNA组装形成纳米级ds-MIRNA/SPc复合物。该复合物可以穿透根皮层，并通过拟南芥和玉米幼苗的维管组织进行系统运输。同时，该复合物可以上调原生质体和植物中内吞相关基因的表达，促进细胞摄取。此外，SPc 传递的 ds-MIRNA 可以有效增加成熟 miRNA 的数量以抑制靶基因的表达，并且与过表达 miRNA 的转基因植物相比，拟南芥和玉米的表型相似。据我们所知，我们报告了第一个基于星型聚阳离子纳米载体的植物miRNA传递平台的构建和应用，探索了一种植物生物技术的新途径，可有效转化为农业应用。该复合物可以上调原生质体和植物中内吞作用相关基因的表达，从而促进细胞摄取。此外，SPc 传递的 ds-MIRNA 可以有效增加成熟 miRNA 的数量以抑制靶基因的表达，并且与过表达 miRNA 的转基因植物相比，拟南芥和玉米的表型相似。据我们所知，我们报告了第一个基于星型聚阳离子纳米载体的植物miRNA传递平台的构建和应用，探索了一种植物生物技术的新途径，可有效转化为农业应用。该复合物可以上调原生质体和植物中内吞作用相关基因的表达，从而促进细胞摄取。此外，SPc 传递的 ds-MIRNA 可以有效增加成熟 miRNA 的数量以抑制靶基因的表达，并且与过表达 miRNA 的转基因植物相比，拟南芥和玉米的表型相似。据我们所知，我们报告了第一个基于星型聚阳离子纳米载体的植物miRNA传递平台的构建和应用，探索了一种植物生物技术的新途径，可有效转化为农业应用。与过表达 miRNA 的转基因植物相比，拟南芥和玉米的表型相似。据我们所知，我们报告了第一个基于星型聚阳离子纳米载体的植物miRNA传递平台的构建和应用，探索了一种植物生物技术的新途径，可有效转化为农业应用。与过表达 miRNA 的转基因植物相比，拟南芥和玉米的表型相似。据我们所知，我们报告了第一个基于星型聚阳离子纳米载体的植物miRNA传递平台的构建和应用，探索了一种植物生物技术的新途径，可有效转化为农业应用。