曾幼玲，楊瑞瑞

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植物miRNA的生物學(xué)特性及在環(huán)境脅迫中的作用

曾幼玲，楊瑞瑞

（新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046）

MicroRNA（miRNA）是一類在生物體內(nèi)普遍存在的非編碼、長(zhǎng)度約為21 nt的小RNA分子，一般由內(nèi)源基因編碼，RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄后，經(jīng)過Dicer-Like酶等一系列的蛋白復(fù)合物將pre-miRNA（precursor miRNA）剪切成成熟miRNA，在轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平介導(dǎo)靶mRNA轉(zhuǎn)錄沉默、降解或翻譯抑制來調(diào)控基因的表達(dá)，是真核細(xì)胞基因表達(dá)的重要調(diào)控因子。第一個(gè)miRNA是在秀麗隱桿線蟲（）中發(fā)現(xiàn)的，與mRNA 3′ UTR的堿基序列部分互補(bǔ)，降解，從而抑制的表達(dá)。對(duì)靶基因的調(diào)控與線蟲的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。而第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的植物miRNA是擬南芥miR171，它靶向剪切編碼基因Scarecrow-like（SCL）家族的mRNA，調(diào)控其基因的表達(dá)，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物部分miRNA，如miR156—miR408在各植物物種中相對(duì)保守，而miR408以后的miRNA具有物種特異性。植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)遭遇諸多不可預(yù)知（如同鹽堿、干旱、重金屬以及害蟲和病原菌的侵?jǐn)_等）的環(huán)境脅迫。固著生長(zhǎng)的特性使得植物不能像動(dòng)物那樣通過移動(dòng)來避免不利環(huán)境的影響，因此，需要自身特殊機(jī)制來應(yīng)對(duì)這些環(huán)境脅迫。植物在長(zhǎng)期逆境中已進(jìn)化出極為精細(xì)復(fù)雜的生理和分子機(jī)制。miRNA與它作用的靶基因是響應(yīng)環(huán)境脅迫的主要調(diào)控因子。miRNA參與了植物的生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)降解、營(yíng)養(yǎng)脅迫、抗病原菌的入侵以及適應(yīng)高鹽和干旱等逆境脅迫過程，對(duì)于調(diào)節(jié)內(nèi)源抗性基因表達(dá)具有一定意義。目前通過高通量測(cè)序、實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè)和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多與環(huán)境脅迫相關(guān)的miRNA，它們?cè)谀婢趁{迫下的表達(dá)呈現(xiàn)顯著差異性；miRNA的過表達(dá)植株經(jīng)逆境脅迫處理可能表現(xiàn)出一定的抗逆或敏感性。同一家族的miRNA不同成員在響應(yīng)環(huán)境脅迫時(shí)具有物種特異性。新疆地區(qū)是典型的大陸性干旱氣候，降水量少，鹽堿荒漠化地區(qū)多。在這樣嚴(yán)酷的環(huán)境中頑強(qiáng)生存著許多鹽生旱生類植物，這些植物的miRNA如何在逆境中發(fā)揮調(diào)控作用，依然需要更深入的探索。本文主要綜述了現(xiàn)階段植物miRNA生物合成、與靶基因作用方式、生物功能以及不同環(huán)境脅迫下對(duì)miRNA和作用的靶基因影響等方面的研究進(jìn)展，以便更好地利用miRNA依據(jù)的生物技術(shù)開展研究和應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

植物microRNA；生物合成；作用機(jī)制；環(huán)境脅迫影響

microRNA（miRNA）連續(xù)在2002和2003年被《科學(xué)》雜志評(píng)為十大科技新聞，目前成為生物研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。20年來，miRNA的生物合成和功能研究方面已經(jīng)取得令人矚目的成就。miRNA是3類具有明顯特征的小RNA（microRNA、siRNA、Piwi-interacting RNA）中的一種[1]，是一類約21 nt的單鏈RNA，它對(duì)編碼蛋白的基因表達(dá)起到負(fù)調(diào)控作用[2]。

1993年，LEE等[3]在秀麗線蟲中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度為21 nt的第1個(gè)miRNA（），它能部分與的mRNA 3′ UTR的堿基互補(bǔ)，起到抑制的表達(dá)。是線蟲由幼蟲第一階段向第二階段轉(zhuǎn)化調(diào)控通路中的重要基因，而第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的植物miRNA是擬南芥miR171[4]，它靶向編碼基因Scarecrow-like（SCL）家族，該基因家族在光信號(hào)通路、赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)、分生組織形成、根和腋芽的發(fā)育等不同的生物代謝過程中起著重要作用[5]。

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，不可避免地受到多種逆境脅迫影響。為了應(yīng)對(duì)植物固著生長(zhǎng)而無法有效逃避脅迫這一缺點(diǎn)，植物進(jìn)化出成熟且錯(cuò)綜復(fù)雜的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，涉及能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、mRNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)生物合成及降解、細(xì)胞膜的物質(zhì)交換、光合作用等植物生物化學(xué)、細(xì)胞和生理學(xué)進(jìn)程等，而miRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控在這些生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用[6-9]。miRNA廣泛存在于真核細(xì)胞中，是最大的基因家族之一，約占基因組1%。植物中第二豐富的小RNA就是miRNA[10]，是通過RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄生成的小RNA[11]。在不同植物中，miRNA的保守性是不同的，miR156—miR408在各個(gè)物種中相對(duì)保守且表達(dá)量較高，而miR408之后的miRNA的表達(dá)量很低，具有物種的特異性，并且它們僅在某些特殊條件下受到誘導(dǎo)[12]。miRNA具有2種主要的生物學(xué)作用：第一，響應(yīng)植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中內(nèi)源性刺激誘導(dǎo)植物細(xì)胞的增殖；第二，響應(yīng)外界環(huán)境脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)[13]。有研究表明miRNA與它們作用的靶基因是響應(yīng)各種脅迫的主要調(diào)控因子[14]。miRNA幾乎調(diào)控著植物所有生物學(xué)和代謝過程[15]，對(duì)于調(diào)節(jié)內(nèi)源抗性基因的表達(dá)具有重要意義[16]。

新疆地區(qū)是典型的大陸性干旱氣候，降雨量少，鹽堿荒漠化地區(qū)多。在這樣的嚴(yán)酷生境中頑強(qiáng)地生存著許多鹽生旱生類植物，miRNA如何調(diào)控這些植物的抗鹽堿和耐旱性，需要進(jìn)行更深入的探討?；诖?，本文主要綜述了植物miRNA的生物合成、與靶基因的作用方式、miRNA的生物功能以及不同環(huán)境脅迫下miRNA和對(duì)所調(diào)控靶基因的作用和影響，便于更好地利用miRNA依據(jù)的生物技術(shù)開展深入研究和應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

1 植物miRNA的生物合成及作用機(jī)制

1.1 植物miRNA的生物合成

miRNA是一類保守的內(nèi)源性小RNA，在真核生物基因轉(zhuǎn)錄后起重要調(diào)控作用[17]。大多數(shù)后生動(dòng)物的miRNA基因存在于內(nèi)含子或外顯子中，而植物miRNA基因是存在于基因間的，并且它們的二級(jí)結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度在不同植物種類中差異性也比較大[10]。動(dòng)物的miRNA在基因組上是成簇存在的，并且它們會(huì)通過多順反子的形式進(jìn)行共轉(zhuǎn)錄，相比之下，除大豆外，植物miRNA基因很少串聯(lián)排列[18-19]。

植物miRNA的生物合成是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過程（圖1），它最初由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄生成大約1 000 bp具有頸環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄物pri-miRNA（primary miRNA）[20-22]，pri-miRNA與mRNA相似，具有5′端“帽子”結(jié)構(gòu)，3′端polyA尾巴。植物pri-miRNA能夠被DCL（Dicer-Like）酶剪切加工成雙鏈pre- miRNA（precursor miRNA）。Dicer-Like酶具有一個(gè)位于氨基端的DExH-box RNA解旋酶結(jié)構(gòu)域，pri-miRNA可以通過具有ATP依賴性的RNase Ⅲ活性的DCL-Like蛋白配合不同的蛋白（HYL1和SE等）進(jìn)行剪切，在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中剪切成不同長(zhǎng)度的dsRNA[21]。不同類型的DCL蛋白剪切成dsRNA的長(zhǎng)度是不同的，如DCL1可以產(chǎn)生18—21 nt的小RNA，DCL2、DCL3和DCL4可以產(chǎn)生22、24和21 nt的小RNA。miRNA雙鏈從前體中剪切下來后，細(xì)胞核中的HEN1蛋白會(huì)使miRNA/miRNA*雙鏈兩端的3′末端進(jìn)行甲基化修飾，這種修飾會(huì)防止miRNA降解，使miRNA順利進(jìn)入RISC（-induced silencing complex，RNA介導(dǎo)的沉默復(fù)合物）[23-24]。miRNA/ miRNA*被甲基化后，通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HST將其由細(xì)胞核輸送到細(xì)胞質(zhì)中，其中，與成熟體miRNA互補(bǔ)的miRNA*鏈可能會(huì)進(jìn)入降解途徑，但是在某些環(huán)境條件下，miRNA*也可能不被降解。越來越多的研究表明miRNA*也具有一定功能[25]。而另一條鏈成熟體miRNA則與AGO（Argonaute，具有PAZ結(jié)構(gòu)域，2個(gè)RNase Ⅲ結(jié)構(gòu)域和一個(gè)碳端的dsRNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域[20]）蛋白結(jié)合形成RNA介導(dǎo)的沉默復(fù)合體（RISC）[10]，最后，RISC切割靶mRNA分子或是抑制靶mRNA翻譯，從而抑制編碼基因的表達(dá)[10,26]。目前，新的miRNA命名不再以miRNA和miRNA*表示，而是以成熟體在前體上的位置命名為miRNA-3p和miRNA-5p，miRNA-3p接近前體的3′端，而miRNA-5p則接近前體的5′端[27]。

圖1 植物miRNA的主要生物合成途徑[28]

1.2 植物miRNA的特征和作用機(jī)制

miRNA作為一類調(diào)控基因表達(dá)的小RNA，具有自身獨(dú)特性。首先表現(xiàn)為miRNA是一類20—24 nt的單鏈非編碼核酸；其次，所有miRNA前體都能夠形成可預(yù)測(cè)的頸環(huán)結(jié)構(gòu)，且其頸環(huán)結(jié)構(gòu)具有較低的自由能；第三，成熟體miRNA的5′磷酸基團(tuán)和3′羥基基團(tuán)使它們很容易從大部分的寡核苷酸中區(qū)分出來，并且加工成具有功能的小RNA；第四，很多miRNA都是比較保守的，且具有時(shí)間和空間特異性[29]。雖然miRNA具有以上一些共性，但是植物和動(dòng)物miRNA還是存在一些區(qū)別，首先，動(dòng)物miRNA成熟體主要為22 nt，而植物miRNA成熟體主要為21 nt，這一現(xiàn)象在許多保守miRNA中都可以觀察到。例如擬南芥中大約有80%的miRNA成熟體為21 nt[25]；其次，動(dòng)物miRNA在前體和成熟體上都表現(xiàn)保守性，而植物miRNA只有成熟體才表現(xiàn)保守性；第三，植物miRNA前體的頸環(huán)結(jié)構(gòu)比動(dòng)物的更大且可變性也更為多樣，其前體序列長(zhǎng)度分布范圍64—303 bp，這也比動(dòng)物miRNA前體60—75 bp的序列長(zhǎng)度分布范圍大[20]；第四，植物和動(dòng)物中miRNA和靶mRNA的結(jié)合程度及作用部位是不同的，多數(shù)植物miRNA與其作用的靶基因幾乎完全互補(bǔ)在靶基因的編碼區(qū)，而動(dòng)物miRNA與其靶基因是以不完全配對(duì)的方式作用在靶基因的3′ UTR區(qū)[29-30]。

miRNA對(duì)靶基因的調(diào)控方式可以分為3種類型，一是miRNA對(duì)靶mRNA的直接剪切（圖2-A）；二是miRNA結(jié)合靶mRNA，抑制編碼基因的翻譯（圖2-B)；三是在轉(zhuǎn)錄水平的另一種調(diào)控方式，即miRNA靶向靶DNA，在轉(zhuǎn)錄水平沉默基因的表達(dá)（圖2-C）。miRNA與靶基因之間這種調(diào)控方式的不同，與miRNA和靶基因的互補(bǔ)程度有關(guān)。在靶mRNA與miRNA完全互補(bǔ)的情況下，miRNA則介導(dǎo)mRNA特異性切割；如果miRNA與靶基因存在一定的錯(cuò)配堿基，miRNA則抑制靶基因的翻譯。大部分植物miRNA對(duì)靶基因的調(diào)控主要以前者為主[29]。miRNA通過轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因的表達(dá)[21,31-33]，當(dāng)miRNA在翻譯水平上抑制靶mRNA的翻譯時(shí)，就不能在轉(zhuǎn)錄水平上直接檢測(cè)到靶基因變化，而只能在蛋白水平上被觀測(cè)。

圖2 miRNA的作用機(jī)制[20]

2 植物miRNA與環(huán)境脅迫

2.1 脅迫下部分miRNA與靶基因的作用關(guān)系

陸生植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)遭遇諸多不可預(yù)知的環(huán)境脅迫，如鹽堿、干旱、蟲害及病害的侵?jǐn)_。固著生長(zhǎng)的特性使植物不能像動(dòng)物那樣通過移動(dòng)來避免不利環(huán)境的影響，需要自身特殊機(jī)制來應(yīng)對(duì)這些脅迫，已進(jìn)化出極為精細(xì)復(fù)雜的生理和分子調(diào)控機(jī)制。比如，植物自身會(huì)調(diào)控某些miRNA的生成與表達(dá)，通過miRNA精確靶向mRNA分子在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平調(diào)控編碼基因的表達(dá)，并通過基因之間的相互作用，最終抵抗逆境。圖3所示，植物對(duì)高鹽、干旱、低溫和重金屬等非生物和生物脅迫的響應(yīng)過程中涉及很多miRNA，通過與靶基因作用對(duì)其脅迫過程中植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而應(yīng)對(duì)環(huán)境中的各種脅迫。miR398通過靶向調(diào)控2種超氧化物歧化酶CSD1與CSD2，參與植物的生物脅迫、重金屬、高鹽、干旱、紫外輻射等非生物脅迫[34-35]；干旱誘導(dǎo)馬鈴薯（[36]；在擬南芥中過表達(dá)miR156，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗鹽與抗?jié)B透脅迫的能力[37]。由于大氣臭氧層的破壞，UV-B輻射對(duì)于植物的傷害越來越嚴(yán)重。在擬南芥（）、楊樹（小麥（等植物中鑒定了一些UV-B脅迫相關(guān)的miRNA。miR156/157、miR159/319、miR160、miR165/ 166、miR167、miR169、miR170/171、miR172、miR393、miR398及miR401在擬南芥和楊樹中是上調(diào)表達(dá)的[38-39]，而小麥miR395在UV-B照射下下調(diào)表達(dá)，它的靶基因APS（ATP sulfurylases）是硫同化途徑中第一個(gè)關(guān)鍵酶，miR395的表達(dá)水平依賴植物體內(nèi)硫的水平，miR395上調(diào)會(huì)造成APS的表達(dá)下調(diào)，表明miR395通過調(diào)控APS來調(diào)控硫的同化。所以在UV-B的脅迫下，小麥miR395抑制表達(dá)會(huì)激發(fā)硫代謝途徑以形成足夠的硫代謝物用來保衛(wèi)植物細(xì)胞逃避UV-B脅迫[40]。

2.2 植物miRNA與鹽脅迫

大約6%的可耕地受到鹽漬化危害[41]。植物體內(nèi)存在諸多抵制鹽脅迫的機(jī)制，其中很多miRNA參與鹽脅迫。LIU等[42]研究擬南芥經(jīng)300 mmol·L-1鹽脅迫處理下的miR156、miR159、miR394、miR165、miR394、miR393的表達(dá)量都有1.5—3倍的增長(zhǎng)；SI等[43]通過高通量測(cè)序技術(shù)鑒定了300 mmol·L-1NaCl處理3 d的楊樹幼苗中164個(gè)保守的miRNA，屬于44個(gè)miRNA家族，在葉中有95個(gè)保守miRNA具有顯著地表達(dá)變化（56個(gè)上調(diào)，39個(gè)下調(diào)），在根中有84個(gè)上調(diào)，71個(gè)下調(diào)的表達(dá)變化。peu-miR393、peu-miR645、peu-miR860和peu-miR1444在楊樹根中呈現(xiàn)顯著下調(diào)，但在葉中變化不大，說明miRNA在脅迫中的表達(dá)具有組織特異性。水稻miR169家族成員被證明參與鹽脅迫，miR169g和miR169n（靶基因具有CCAAT-box的轉(zhuǎn)錄因子NF-YA）在鹽脅迫下顯著誘導(dǎo)；擬南芥miR169家族中一些成員也受鹽的誘導(dǎo)，因此，miR169被認(rèn)為是鹽響應(yīng)的miRNA[42,44]。熒光定量PCR檢測(cè)NaCl處理的棉花葉和根組織中的miRNA，棉花葉組織中miR156、miR157、miR159、miR172和miR397等在0.25% NaCl低鹽脅迫下呈現(xiàn)上調(diào)或下調(diào)的趨勢(shì)，而0.5% NaCl高鹽脅迫下其全部表現(xiàn)為下調(diào)；棉花根組織中miR156、miR157與miR172在低鹽脅迫下表現(xiàn)為上調(diào)，而高鹽脅迫下表現(xiàn)為下調(diào)。棉花miR397在低鹽濃度處理時(shí)，表達(dá)水平達(dá)到最低，隨著鹽濃度的升高其表達(dá)升高?？傮w來說，在鹽脅迫下，棉花miRNA的表達(dá)具有脅迫濃度依賴性[45]。擬南芥miR402受鹽誘導(dǎo)，過表達(dá)miR402的擬南芥植株在鹽脅迫下的種子萌發(fā)率及植株生長(zhǎng)都要好于非轉(zhuǎn)基因植株[46]。水稻miR396c在水稻和擬南芥中的轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證的結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株在鹽脅迫下的耐受性都降低了，而過表達(dá)擬南芥的miR396a/b（根據(jù)miRBase顯示的結(jié)果，水稻miR396c與擬南芥miR396a/b成熟體只差一個(gè)堿基）轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性提高了，這兩種不同的轉(zhuǎn)基因結(jié)果暗示同一miRNA家族不同成員可能在不同的植物中對(duì)脅迫抗性發(fā)揮著不同作用[47]。目前，有超過40個(gè)家族的植物miRNA與脅迫有關(guān)，其中很多涉及鹽和旱脅迫（表1），并且一些miRNA不止在一種植物中報(bào)道，表明這些miRNA在這些植物中可能具有保守功能[28,48]；但同時(shí)也有發(fā)現(xiàn)miRNA在不同物種中受到鹽脅迫的表達(dá)模式存在差異，表明miRNA的表達(dá)具有物種特異性（表1）。

表1 不同物種部分miRNA和靶基因及鹽脅迫下miRNA的表達(dá)情況

2.3 植物miRNA與干旱脅迫

干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生的主要環(huán)境脅迫。植物主要通過調(diào)控一系列干旱響應(yīng)的基因適應(yīng)干旱環(huán)境。迄今為止，已鑒定了大量的干旱響應(yīng)基因，這些基因的編碼產(chǎn)物不僅在保護(hù)植物細(xì)胞免受干旱影響，而且有的會(huì)在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中調(diào)控其他基因的表達(dá)來響應(yīng)干旱脅迫。然而這些基因如何在轉(zhuǎn)錄及翻譯水平組合在一起協(xié)調(diào)發(fā)揮功能等具體的調(diào)控機(jī)制，當(dāng)前研究的并不完全，植物miRNA的發(fā)現(xiàn)對(duì)回答這些問題提供了一些線索。眾所周知，miRNA介導(dǎo)的植物響應(yīng)各種脅迫是通過調(diào)控它的靶基因（主要是一些轉(zhuǎn)錄因子）來實(shí)現(xiàn)的，從而成為植物脅迫響應(yīng)機(jī)制中的重要組成部分[58]。土豆[59]、棉花[45]、大麥[60]、芥菜[61]等植物受到干旱脅迫后，其miRNA的表達(dá)都會(huì)受到影響；高通量測(cè)序干旱脅迫下的馬鈴薯小RNA，獲得大量保守和特異的miRNA，差異表達(dá)分析的結(jié)果顯示100個(gè)已知miRNA下調(diào)表達(dá)，99個(gè)上調(diào)表達(dá)；119個(gè)物種特異的miRNA誘導(dǎo)表達(dá)，151個(gè)下調(diào)表達(dá)。熒光定量PCR試驗(yàn)驗(yàn)證了這些與干旱相關(guān)的miRNA與它們的靶基因呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與高通量測(cè)序的結(jié)果一致[59]。此外，通過轉(zhuǎn)基因手段研究miRNA的功能是一個(gè)更為直接有效的方法。水稻miR319a轉(zhuǎn)入翦股穎，轉(zhuǎn)基因翦股穎的抗旱性提高。野生型植物缺水處理，葉片與莖稈生物量明顯少于轉(zhuǎn)基因植物[58]。有報(bào)道植物受到干旱脅迫，會(huì)通過提前開花逃避脅迫，但是這種自我保護(hù)的逃避方式會(huì)造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。有學(xué)者對(duì)這一過程中的基因展開研究，發(fā)現(xiàn)在擬南芥中miR172e受到光周期因子GI（光周期因子）的調(diào)控。長(zhǎng)期干旱狀態(tài)下，GI會(huì)促進(jìn)miR172e的表達(dá)量升高，進(jìn)而抑制它的2個(gè)靶基因與（調(diào)控開花模式）的表達(dá)，而WRKY44蛋白與TOE1蛋白之間會(huì)相互作用，miR172e與靶基因以及這2個(gè)靶基因編碼產(chǎn)物之間的相互調(diào)節(jié)的關(guān)系會(huì)影響糖信號(hào)通路（sugar signalling），造成植物的提前開花。同樣，過表達(dá)miR172e的擬南芥植物也會(huì)出現(xiàn)與干旱脅迫同樣的表型，表明通過一系列miR172e與靶基因以及靶基因與靶基因之間的正負(fù)調(diào)控，最終導(dǎo)致植物在干旱狀態(tài)下表現(xiàn)出提前開花的逃避現(xiàn)象（圖4）[62]。植物miR169家族有許多成員，Wang等[63]利用基因芯片篩選到的199個(gè)陸地棉microRNA中，miRl69可能與干旱應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。然而這些成員在不同物種的干旱脅迫下的表現(xiàn)是不一樣的。擬南芥miR169a和miR169c在干旱脅迫下下調(diào)表達(dá)，過表達(dá)miR169a和miR169c的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株較野生型表現(xiàn)出干旱更為敏感的表型；然而，番茄miR169c在干旱脅迫下上調(diào)表達(dá)，轉(zhuǎn)基因miR169c的番茄植株的抗旱性增強(qiáng)，氣孔導(dǎo)度與失水率較非轉(zhuǎn)基因植株低[64]，這些結(jié)果再次表明同一miRNA家族成員在不同物種中具有不同的作用。

圖4 擬南芥躲避干旱脅迫的調(diào)控方式

2.4 植物miRNA與重金屬脅迫

一般情況下，重金屬以環(huán)境可適濃度廣泛分布在自然界中。隨著社會(huì)發(fā)展和人類活動(dòng)的加劇，包括采礦、廢氣和污水排放及重金屬使用日益增多，造成鉛、汞、鎘和鈷等生物毒性顯著的重金屬元素及化合物進(jìn)入到大氣、水和土壤中。有些重金屬對(duì)于植物是必要元素，如Fe、Cu和Zn等參與植物正常的生理生化過程，而有些重金屬元素是非必要的，如Cd、Co、Hg和Al等，但不論哪一種元素，植物體內(nèi)的重金屬濃度過高會(huì)觸發(fā)機(jī)體內(nèi)活性氧的積累，脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及DNA物質(zhì)的損害，導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂，影響植物生長(zhǎng)，甚至死亡[65-66]。植物在響應(yīng)這些脅迫過程中涉及一些精確的轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。愈多的研究結(jié)果顯示植物已進(jìn)化出以信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、易位、滯留等特異的內(nèi)在機(jī)制抵御重金屬對(duì)植物的傷害[67]，其中miRNA的調(diào)控占有重要地位[68]。SUNKAR等[69]研究擬南芥在高銅和高鐵脅迫下，miR398的表達(dá)降低，其所調(diào)控的Cu/Zn超氧化物歧化酶靶基因表達(dá)上調(diào)，這種調(diào)控方式提高了擬南芥對(duì)重金屬脅迫的耐受性。鎘脅迫下水稻諸多miRNA的表達(dá)發(fā)生變化，微陣列芯片分離到了19個(gè)鎘脅迫應(yīng)答相關(guān)的miRNA，除了miR528表達(dá)顯著上升外，miR166、miR171、miR168、miR162、miR396、miR390、miR156、miR1432、miR444等表達(dá)水平均下降[70]。擬南芥ABC運(yùn)輸體對(duì)鎘（cadmium，Cd）和汞（mercury，Hg）等重金屬通過螯合作用運(yùn)輸并儲(chǔ)存在植物細(xì)胞的液泡中來降低對(duì)植物的傷害，同時(shí)ABC運(yùn)輸體基因缺失的擬南芥突變體會(huì)對(duì)Cd和Hg重金屬相當(dāng)敏感[71]。而miR192靶向ABC運(yùn)輸體基因，過表達(dá)miR192的水稻對(duì)Cd脅迫敏感[72]，說明miRNA在植物受到重金屬脅迫時(shí)，可以調(diào)節(jié)其作用的靶基因，其表達(dá)產(chǎn)物在植物體內(nèi)的含量以應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫。

2.5 植物miRNA與生物脅迫

動(dòng)物miRNA介導(dǎo)病毒感染的抗性增強(qiáng)或減弱[73]。許多植物miRNA與病毒、細(xì)菌、真菌、線蟲等生物脅迫也是有相互聯(lián)系的。草酸（oxalic acid，OA）是多種植物病原真菌的致病因子。陳曉婷等[74]利用植物microRNA芯片獲得了草酸脅迫下的擬南芥3個(gè)差異表達(dá)的miR2988、miR3090和miR3131，并鑒定了與靶基因的負(fù)相關(guān)性。煙草感染病毒后，miR156、miR160和miR164被誘導(dǎo)表達(dá)[75]。通過miRNA-microarray方法比較小麥抗真菌和真菌敏感的2個(gè)品種在真菌感染后miRNA的表達(dá)情況?？剐云贩N的小麥miR2592s、miR869.1和miR169b等miRNA較敏感型小麥品種具有顯著的差異表達(dá)（200倍的差異變化），并且某些miRNA在真菌感染后第一時(shí)間產(chǎn)生。分析表明小麥中這些差異miRNA的靶基因很多都是與抗真菌相關(guān)的編碼基因（葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶，glucuronosyl transferase，LRR、peroxidase以及Pto kinase）[76]。Wu等[77]用類似方法檢測(cè)到玉米經(jīng)真菌感染后的某些miRNA（miR811、miR829、miR845與miR408）差異性表達(dá)。在水稻中與水稻-稻瘟病菌互作相關(guān)的miRl60a和miR398b的靶基因表達(dá)與相應(yīng)miRNA累積量呈負(fù)相關(guān)性，過表達(dá)miRl60a和miR398b的轉(zhuǎn)基因水稻明顯增強(qiáng)水稻對(duì)稻瘟病的抗性[78]。幾乎所有植物和動(dòng)物都具有識(shí)別病原信號(hào)的病原識(shí)別受體（pathogen recognition receptors，PRRs）[21]。Li等[79]報(bào)道煙草的2個(gè)miRNA（miR6019和miR6020）的靶基因是TIR-NBLRR immune receptor N，miRNA在抵御病原菌感染，增強(qiáng)植物的生物抗性方面起調(diào)控作用。來源于擬南芥的miR159前體被修飾成人造miRNA（artificial miRNA或amiRNA），靶向2個(gè)基因沉默抑制子-蕪菁黃花葉病毒（turnip yellow mosaic virus，TYMV）的P69以及蕪菁花葉病毒（turnip mosaic virus，TuMV）的HC-Pro，分別過表達(dá)amiR-P69159和amiR-HC-Pro159的轉(zhuǎn)基因擬南芥呈現(xiàn)出特異性抵抗TYMV和TuMV的表型，而同時(shí)擁有這2種人工miRNA的過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出對(duì)這2種病毒的雙抗性[80-81]。此外，miRNA也可能會(huì)通過某些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以響應(yīng)病原菌對(duì)植物的傷害。擬南芥miR393靶向生長(zhǎng)素信號(hào)通路中的F-box生長(zhǎng)素受體，在受到丁香假單胞菌（）侵害后，miR393被誘導(dǎo)表達(dá)，使得生長(zhǎng)素受體表達(dá)受到抑制，從而抑制了細(xì)菌生長(zhǎng)，表明miR393可能通過生長(zhǎng)素信號(hào)通路參與宿主抗菌進(jìn)程[21,82]。綜上，生物脅迫過程中存在miRNA調(diào)節(jié)，這種調(diào)控方式對(duì)于改良農(nóng)作物性狀，抵御病害具有積極而重要的意義。

3 展望

世界人口數(shù)量不斷增加，環(huán)境持續(xù)惡化，對(duì)人類生存造成極大威脅。提高在逆境下糧食品種的抗逆性迫在眉睫?？茖W(xué)家們一直在努力闡釋植物的抗逆機(jī)制，但是這些研究成果依然不夠成熟。miRNA在植物抗逆方面的研究和應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

首先，過去十幾年里，計(jì)算機(jī)和深度測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展[83-84]，越來越多的植物miRNA相繼被發(fā)現(xiàn)，又多在逆境脅迫和發(fā)育方面對(duì)miRNA表達(dá)水平進(jìn)行鑒定，而miRNA的功能鑒定和調(diào)控機(jī)制方面的研究比較少。有很多植物成熟miRNA如何通過轉(zhuǎn)錄后修飾和降解影響miRNA的穩(wěn)定性和活性，進(jìn)而調(diào)控植物脅迫響應(yīng)的生物學(xué)過程都尚未解析[85]?；诖耍磥韺?duì)參與環(huán)境脅迫的miRNA的探索是非常必要的；其次，對(duì)miRNA研究廣度的不斷拓展，發(fā)現(xiàn)了大量的novel miRNA，但是這些novel miRNA是如何進(jìn)行調(diào)控的，基本都是未知的；第三，對(duì)于已知保守的miRNA，在表達(dá)上往往呈現(xiàn)物種和時(shí)空的特異性，尋找出植物miRNA這種特異性的原因?qū)τ谏钊肓私鈓iRNA的調(diào)控機(jī)制意義重大，所以現(xiàn)階段對(duì)于miRNA的研究只是冰山一角，還有巨大的信息需要研究者去挖掘；第四，miRNA約占總基因的1%，這將意味著尚有許多miRNA有待發(fā)現(xiàn)。由于很多植物沒有基因組信息以及植物miRNA 前體結(jié)構(gòu)的多變性，使得植物miRNA前體不容易獲得，這對(duì)于miRNA的功能研究是一個(gè)阻礙，雖然人工miRNA對(duì)于解決這一問題提供了一個(gè)不錯(cuò)的方法。迄今為止，很多植物miRNA的表達(dá)都與環(huán)境脅迫顯著相關(guān)，其相關(guān)研究越來越多。綜上所述，植物miRNA的抗逆研究存在挑戰(zhàn)性，但其研究?jī)r(jià)值意義重大。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Biological Characteristics of Plant MicroRNAs and Actions in Environmental Stresses

ZENG You-ling, YANG Rui-rui

(College of Life Science and Technology, Xinjiang University/Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, Urumqi 830046)

MicroRNA (miRNA) is an extensive class of non-coding and small molecular RNA with length about 21 nt. It is encoded by the endogenous gene and transcribed by RNA polymerase II and the precursor miRNA is processed into mature miRNA by Dicer-Like and a series of the protein complexes. miRNA mainly regulates its targets at the level of post-transcription mediated degradation of target mRNA or translation inhibition. miRNA is an important regulator of gene expression in eukaryotic cells.is the first animal miRNA discovered in(). It is essential for the growth and development ofby negative controlling the expression level of target genewith partial complementarity tomRNA in the 3′untranslated region (UTR), causing the degradation ofgene and thus inhibiting the expression ofgene.miR171 is discovered as the first miRNA in plant, which targets mRNA of Scarecrow-like (SCL) family, and thus miR171 can affect plant growth and development by negative regulating target gene expression. Plant partial miRNAs (from miR156 to miR408) are relatively conserved among different species and other miRNAs after miR408 are species-specific. Plants will encounter all kinds of unpredictably environmental stresses (salinity, drought, heavy metal, pest and pathogen infection), because of plant sessile growth, no moving to avoid the adversely environmental effects like animals. Therefore, it is necessary for plants to cope with these stresses with their special mechanisms. Actually, plants grown chronically in the stressed environments have evolved highly complicated and delicate physiological and molecular mechanisms. Studies have showed that miRNA and its target genes are the main regulatory factors in response to various stresses. miRNAs play important roles in regulating the expression of endogenous resistance genes by involving in plant growth and development, signal transduction, protein degradation, nutrient deficiency, preventing pathogen invasion and adapting to high salt- and drought-stressed environments as well. So far, lots of miRNAs are identified and have significantly differential expression by next-generation deep sequencing, advanced bioinformatics and real-time quantitative PCR technologies in response to environmental stresses; and the plants show the resistant or sensitive phenotypes by microRNA-based transformation. The different members of miRNA family responding to environmental stresses are also taken on being species-specific. It is well-known that China’s Xinjiang is a kind of typical continental arid climate with a low annual rainfall and more acid areas. In such harsh environments, some extremely salt- and drought-tolerant halophytes and xerophytes can still survive healthy and strong. It is very essential to study deeply how plant miRNAs play regulatory roles in coping with environmental stresses. This paper mainly summarizes plant miRNA biosynthesis, the modes of actions with target genes and research status of some miRNAs involving in the abiotic and biotic stresses. Some prospects are expected by microRNA-based biotechnology.

plant microRNAs; biosynthesis; mechanism; environmental stresses

2016-04-28；接受日期：2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金（31160186）、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2015211C274）

曾幼玲，E-mail：zeng_ylxju@126.com