谷彩紅 陳家紅 張荃

摘要 一些miRNA在植物中的功能具有保守性，并受逆境脅迫的調(diào)控。對植物中miRNA在脅迫應(yīng)答中的作用進行介紹，為進一步的miRNA研究以及利用miRNA提高作物耐逆性提供潛在的策略和未來的研究思路。

關(guān)鍵詞 逆境脅迫；miRNA；植物；調(diào)控

中圖分類號 S184 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）34-0148-04

Abstract Some miRNAs are conserved in plants and are regulated by stress.In this paper，the role of miRNA in stress responses in plants was introduced，which provided a potential strategy for further miRNA research and the use of miRNA to improve crop tolerance.

Key words Adversity stress； miRNA；Plant；Regulation

鹽、干旱、溫度等逆境脅迫是限制作物生產(chǎn)力的重要因素。然而，植物可通過自身防御系統(tǒng)應(yīng)對不利的環(huán)境條件，這些防御機制之一即是通過miRNAs對基因表達進行重新編程。 miRNA是長度大約為22 nt的內(nèi)源非編碼RNAs，可在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控其靶基因的表達。miRNAs在近些年的植物研究中受到高度關(guān)注。通過克隆、測序和生物信息學(xué)等方法在擬南芥、水稻、玉米、小麥、玉米等植物中均發(fā)現(xiàn)了不同數(shù)量和類型的miRNAs。越來越多的證據(jù)表明，miRNA不僅能調(diào)控植物的生長發(fā)育，而且在應(yīng)答鹽、干旱、溫度和營養(yǎng)脅迫等非生物脅迫和病菌等生物脅迫的過程中有重要調(diào)控作用。對植物miRNAs在脅迫應(yīng)答中的作用進行介紹，為進一步的miRNA研究以及利用miRNA提高作物耐逆性提供潛在的策略和未來的研究思路。

1 miRNA的基本特征和調(diào)控機制

microRNA（miRNA）是內(nèi)源性的大小為20～25個堿基的單鏈非編碼RNAs，廣泛存在于真核生物中。miRNAs來源于能形成穩(wěn)定二級結(jié)構(gòu)的非編碼轉(zhuǎn)錄物，在真核生物中約占基因數(shù)量的1%[1]。大多miRNAs為不編碼蛋白質(zhì)的獨立轉(zhuǎn)錄單元，成熟miRNA 5端有磷酸基團，3端為羥基； miRNA由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hairpin）的RNA前體經(jīng)過Dicer酶加工后形成。多數(shù)miRNAs在進化上高度保守，且表達具有組織和時空特異性[1-2]。

miRNA為調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子或其他靶標(biāo)的轉(zhuǎn)錄后負調(diào)節(jié)因子。植物miRNA通過：①轉(zhuǎn)錄后裂解mRNA 或翻譯后抑制負向調(diào)節(jié)互補靶基因的表達[2-3]；②對靶DNA甲基化進行轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控[3-4]。miRNAs能選擇性調(diào)節(jié)特異靶基因的表達水平實現(xiàn)其功能[5-6]。大多數(shù)miRNAs在植物種間是保守的，因此它們可能調(diào)節(jié)相似的靶標(biāo)。miRNAs靶標(biāo)與廣泛的代謝和生理過程有關(guān)[5-7]，保守miRNAs靶標(biāo)通常為MYB、NAC1 和HD-ZIP轉(zhuǎn)錄因子，涉及植物發(fā)育和器官的形成，而且這些靶標(biāo)蛋白中的很多為脅迫反應(yīng)因子[5-8]。研究表明miRNAs作為靶蛋白的負調(diào)節(jié)因子，大多靶向轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控蛋白，處于植物基因表達調(diào)控的中心位置[1]。

2 miRNA參與鹽、干旱、溫度脅迫的調(diào)控

2.1 miRNA與鹽脅迫

在低或中度鹽脅迫時，植物生長速率和產(chǎn)量受到影響，高鹽則對植物生長有害[5]。

高鹽條件下，擬南芥中miR397表達上調(diào)，其靶基因LACs 和CKB3表達水平下降，過量表達miR397的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株提高了抗鹽性，而抑制miR397基因表達的植株耐鹽能力降低（國際專利：WO 2007/103767 A2）。通過擬南芥芯片研究結(jié)果表明，300 mmol/L NaCl處理下miR396、miR168、miR167、miR165和miR319等表達均有顯著的上調(diào)[9]。

水稻miR169家族包括17個成員，其中OsamiR169g、miR169n 和miR169o 均受鹽脅迫的誘導(dǎo)[10]，并特異性地剪接NFYA基因轉(zhuǎn)錄本，只有OsamiR169g受干旱脅迫的誘導(dǎo)[11]。在鹽脅迫條件下，OsamiR396c通過ABA依賴的方式降低其表達，其過量表達導(dǎo)致植株耐鹽性降低[12]。高通量測序和生物信息學(xué)分析從水稻花序中鑒定了10個與鹽脅迫相關(guān)的miRNAs[13]。另外，干旱和鹽脅迫誘導(dǎo)miR393，靶向激素運輸基因OsAUX1和水稻分蘗抑制基因OsTIR1。過量表達miR393的轉(zhuǎn)基因水稻分蘗和開花增加，但對鹽的耐性降低，并對激素超敏感[14]。而水稻miR408則受干旱和鹽脅迫下調(diào)[15-16]。在非生物脅迫下，水稻中多個miRNAs的功能和其他物種中的類似，表明不同物種中miRNAs可能具有共同的調(diào)控機制，例如鹽脅迫下擬南芥和水稻中miR393均被上調(diào)[5，17]。

2.2 miRNA與干旱脅迫

干旱是世界大部分地區(qū)經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn)的氣候特征，全球很多地方的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量均受干旱的嚴(yán)重影響[18]。

不同耐旱性水稻品種中，miR164、 miR396、 miR812和miR1881在水稻發(fā)育不同階段及干旱脅迫下的表達模式均具有品種特異性的特點[19]。另有研究表明，干旱脅迫下擬南芥miR159也受脅迫激素ABA的誘導(dǎo)，說明miR159受脅迫和激素信號的交叉調(diào)控[20]。miRNA芯片分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下小麥的葉和根中分別有207和115個miRNAs表現(xiàn)上調(diào)，78和129個miRNAs表現(xiàn)下調(diào)；在這些差異表達的miRNAs中，23個miRNAs僅在葉中表達，26個miRNAs僅在小麥根中表達[21]。在干旱脅迫下，普通小麥中miR159、miR160、miR166、miR169、miR172、miR395、miR396、miR408、miR472、miR477、miR482、miR1858、miR2118和 miR5049 顯示差異性的表達；調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，miR395與大量的靶標(biāo)相關(guān)聯(lián)，miR159 和miR319則共享了很多靶基因；耐旱和旱敏感小麥品種在受到干旱脅迫后其miRNAs及其靶標(biāo)的表達模式均發(fā)生了改變[21]。

對二倍體和四倍體泡桐的2個干旱處理和4個對照庫進行高通量測序，鑒定了30個保守miRNAs和88個Novel miRNAs，其中在二倍體和四倍體泡桐中有22個miRNAs具有差異性的表達，并通過降解組測序鑒定了miRNAs靶基因，該研究為進一步了解泡桐耐受干旱脅迫的分子機制提供了數(shù)據(jù)資料[22]。

植物野生種較之于相近的栽培植物具有更高的耐旱性，植物野生種更好的耐旱性可歸因于基因的差異表達[18]。通過對旋花科植物——耐旱野生甘薯和干旱敏感栽培種小牽牛的高通量測序發(fā)現(xiàn)，這2個物種間有34個保守miRNAs，但干旱改變了這2個種其中一些miRNAs的表達水平。在耐旱野生甘薯中miR398、 miR168、 miR858、 miR162和 miR408的表達上調(diào)，而miR394 和 miR171的表達下調(diào)；在干旱敏感栽培種小牽牛中miR394、miR156、 miR160、miR164、 miR167、 miR172、 miR319、miR395、 miR396、miR403的表達上調(diào)，miR157的表達下調(diào)。而且，耐旱野生甘薯和干旱敏感栽培種小牽牛之間的miRNAs基本表達水平和干旱介導(dǎo)的表達均具有差異性[18]。在水分虧缺時，蒺藜苜蓿根、葉中的miR398和miR408均表達上調(diào)，它們各自的靶基因線粒體細胞色素C氧化酶5b亞基COX5b和質(zhì)體藍素則是明確下調(diào)[23]。在水稻、擬南芥和番茄中，miR169均被證實與植物的耐旱性相關(guān)[11，24]。而通過在擬南芥中異源表達大豆gmamiR394a降低了擬南芥靶基因Fbox轉(zhuǎn)錄因子（At1g27340）的表達量，提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐旱能力[25]。而且，植物中一些miRNAs的功能具有保守性，并受干旱脅迫的調(diào)節(jié)，這些特點表明基于miRNAs的遺傳改良具有增強谷類作物耐旱性的潛力[26]。

2.3 miRNA與溫度脅迫

擬南芥和短柄草中miR397、miR172、miR171、miR169和miR408等均受低溫脅迫的誘導(dǎo)[7，27]。另外，擬南芥中miR393也受到低溫脅迫的誘導(dǎo)[17]。水稻中miR1425受冷脅迫上調(diào)，通過調(diào)控PPR蛋白正向影響花粉粒的數(shù)目、上調(diào)花粉的產(chǎn)量[5]。

在高溫脅迫下，耐熱小麥品系TAM107中miR172表達下調(diào)，而miR156、miR159、miR160、miR166、miR168、miR169、miR827和 miR2005的表達上調(diào)[28]。4個大麥成熟miRNAs （miR160a、 miR166a、miR167h和 miR5175a）及其前體在熱脅迫下表達均上調(diào)；另外，大麥miR160a 和 miR5175a內(nèi)含子剪接也受熱誘導(dǎo)，表明大麥中熱應(yīng)答miRNAs表達在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上受調(diào)控，同時miRNAs的誘導(dǎo)表達與試驗鑒定的靶基因表達下調(diào)相關(guān)聯(lián)[29]。另外，研究發(fā)現(xiàn)熱脅迫可誘導(dǎo)miRNAs的剪接，在大麥中大量存在miR160a 和miR5175a的剪接異構(gòu)體，其含有miRNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)但缺少內(nèi)含子[29]。熱脅迫下大麥中這種剪接異構(gòu)體會出現(xiàn)積累，而對照植物中pri-miRNA具有低水平的剪接，說明pri-miRNA的結(jié)構(gòu)元素可能是植物感受溫度、干旱和鹽等非生物脅迫的強有力感受器[30-31]。

3 miRNA參與植物營養(yǎng)脅迫的應(yīng)答調(diào)控

研究發(fā)現(xiàn)，植物一些miRNAs可對特定營養(yǎng)缺乏進行應(yīng)答，以調(diào)控植物對營養(yǎng)脅迫的適應(yīng)。目前，已在多種植物中發(fā)現(xiàn)磷缺乏誘導(dǎo)399，硫缺乏誘導(dǎo)395，銅缺乏誘導(dǎo)398、397和408的表達[32-33]。

3.1 miRNA與氮協(xié)迫

氮元素是植物生長必需的礦質(zhì)營養(yǎng)。Zhao等[34]研究發(fā)現(xiàn)miR169參與植物氮素代謝的調(diào)控。在氮素缺乏時，擬南芥miR169 強烈下調(diào)，而其靶標(biāo)NFYA家族成員被強烈誘導(dǎo)；通過對擬南芥miR169 前體的表達分析，發(fā)現(xiàn)氮素缺乏時其根和莖中 miR169a 均大幅度下調(diào)。同時，組成型過量表達miR169a的轉(zhuǎn)基因擬南芥中NFYA 家族成員表達受抑制，氮素積累減少，較之于野生型對氮素脅迫更加敏感，說明miRNAs有助于植物應(yīng)對土壤氮素脅迫的波動。

高通量測序結(jié)合定量PCR發(fā)現(xiàn)，三倍體毛白楊在低氮處理后有21個保守miRNAs的表達發(fā)生了很大的改變，響應(yīng)低氮脅迫miRNAs 共有218 個靶基因，通過GO和KEGG詮釋了靶基因的功能，其結(jié)果表明楊樹miRNAs在響應(yīng)低氮脅迫中擔(dān)任重要調(diào)控作用[35]。

小麥的種子發(fā)育和產(chǎn)量對氮素營養(yǎng)高度依賴。對小麥栽培種Svevo 和 Ciccio在氮素缺乏時的小RNA庫測序，鑒定了161個保守miRNAs和84個Novel miRNAs。研究還發(fā)現(xiàn)，Svevo對氮素缺乏的反應(yīng)更為明顯，預(yù)測大量靶基因與氮代謝相關(guān)；定量PCR對特定小麥品種和組織中miRNAs及靶標(biāo)miR399b/PHO2、 miR393c/AFB2和ttunovel61/CCAATTF進行表達分析，發(fā)現(xiàn)兩者呈完全的負相關(guān)。在小麥Svevo和 Ciccio品種的幾乎所有組織中，ttunovel61下調(diào)，而它的靶標(biāo)CCAATTF上調(diào)，而且CCAATTF 在預(yù)期的位點上被ttunovel61裂解。miRNAs對氮脅迫的應(yīng)答為最終提高小麥中氮素利用效率提供了重要的理論基礎(chǔ)[36]。

3.2 miRNA與磷脅迫

土壤有效磷缺乏是一個世界性的作物生長限制性因素，miRNA399在擬南芥等植物感受低磷脅迫從而保持體內(nèi)磷穩(wěn)定中具重要作用。

在磷元素充足時，擬南芥pho2突變體的葉子過量積累磷[37-38]。在磷缺乏時擬南芥miRNA399表達上調(diào)，導(dǎo)致其靶基因泛素結(jié)合酶UBC24活性的抑制進而調(diào)節(jié)無機磷的均衡，以適應(yīng)環(huán)境中有效磷利用的變化[37-40]。但過量表達miR399或UBC24缺陷的植物因為磷吸收增加導(dǎo)致磷毒害，同時增強了磷從根到莖的移動和磷在老葉中的滯留[32，39-40]。研究表明，miR399對UBC24表達的調(diào)控對于磷的均衡是關(guān)鍵的[32]。擬南芥基因組編碼的6個miR399均受低磷脅迫的誘導(dǎo)，而UBC表達的下調(diào)對主根的延長、磷高親和力轉(zhuǎn)運子（如AtPT1）的表達從而維持植物體內(nèi)磷的穩(wěn)定至關(guān)重要[37-40]。在磷虧缺的擬南芥phr1突變體中，miR399 的表達強烈受抑，而且一系列磷應(yīng)答基因的表達也受抑制，但磷充足時擬南芥pho2突變體中磷應(yīng)答基因表達上調(diào)，說明miR399 和PHO2在磷信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)PHR1的下游[37]。

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