張豪洋, 金伊楠, 孫燕鑫, 李子瑋, 郭笑恒, 許自成

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院， 鄭州 450002)

干旱是最常見(jiàn)的非生物脅迫之一，嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，了解植物的抗旱性對(duì)提高作物產(chǎn)量非常重要[1]。植物在進(jìn)化過(guò)程中形成了不同的抗旱機(jī)制，通常可分為4種類型：逃旱、避旱、耐旱和旱后恢復(fù)[2]。逃旱是指自然或者人為因素使植物逃離干旱敏感的發(fā)育階段(如生殖生長(zhǎng)階段等)，這一類型主要在干旱脅迫不太嚴(yán)重時(shí)發(fā)生；避旱是指避免干旱，通過(guò)調(diào)整某種形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)或生長(zhǎng)速率來(lái)維持植物高組織水勢(shì)，這一類型多發(fā)生在輕度和中度干旱脅迫[3]；耐旱是指通過(guò)抑制蒸騰作用盡量減少水分損失，通過(guò)滲透作用增加細(xì)胞彈性和通過(guò)膨壓降低細(xì)胞大小，從而增強(qiáng)植物對(duì)干旱的耐受性，該機(jī)制多發(fā)生在植物重度干旱脅迫條件下[4]；旱后恢復(fù)是指植物受重度干旱脅迫后，葉片在完全脫水的條件下仍維持關(guān)鍵細(xì)胞生理代謝的功能，并在復(fù)水后快速恢復(fù)生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)許多抗旱相關(guān)基因，如轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)基因ERF、DREB、MYB和NAC等，抗氧化代謝相關(guān)基因GMPase、CuZnSOD，滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因BADH、P5CS，相關(guān)功能蛋白基因LEA、FBA和HSP等[5]。然而，一些抗旱基因過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植物并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的抗旱性，這說(shuō)明植物響應(yīng)干旱脅迫的機(jī)制是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。

miRNAs表達(dá)是在植物遭受干旱脅迫期間發(fā)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)有助于了解植物應(yīng)對(duì)干旱的機(jī)制，并針對(duì)性地開(kāi)發(fā)新的抗旱作物[6]。本文從miRNAs的發(fā)現(xiàn)、合成及作用機(jī)制，響應(yīng)干旱脅迫的miRNAs種類及其靶基因、miRNAs介導(dǎo)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制等方面進(jìn)行了綜述，并對(duì)miRNAs在植物干旱脅迫中的研究方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 miRNAs的發(fā)現(xiàn)、合成及作用機(jī)制

1.1 miRNAs的發(fā)現(xiàn)

1993年miRNA首次在線蟲(chóng)中被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為其是一種小分子RNA，2001年miRNAs被正式命名為一類具有調(diào)控功能的RNA[7]。目前，在72種植物中已鑒定出7 385種成熟miRNAs和6 150種前體miRNAs(pre-miRNAs)[8]。miRNAs是一種單鏈內(nèi)源性非編碼RNA，大小通常在20～24 nt之間，它們影響植物生長(zhǎng)的多個(gè)過(guò)程，如根、莖、葉和花等器官的發(fā)育。研究表明，miRNAs在植物應(yīng)答生物和非生物脅迫的反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用[9]。

1.2 miRNAs的合成

miRNAs是由基因轉(zhuǎn)錄而來(lái)的，但是轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物并沒(méi)有被翻譯成蛋白質(zhì)。原始轉(zhuǎn)錄本(pri-miRNAs)與自身堿基配對(duì)形成包含莖環(huán)和雙鏈RNA片段的結(jié)構(gòu)，然后由RNase Ⅲ酶[在植物中稱為DCL1(dicer-like1)，在動(dòng)物中稱為Drosha]將其加工成約70 nt的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，在動(dòng)植物體內(nèi)，miRNA/雙工miRNA由DCL1在細(xì)胞核中加工而成[10]?！癿iRNA”指的是將成為miRNA的那條鏈，“雙工miRNA”指的是與miRNA互補(bǔ)的那條鏈。每條鏈都經(jīng)甲基化后被運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)，隨后miRNA/雙工miRNA被整合到RISC(RNA-induced silencing complex)蛋白質(zhì)復(fù)合物中，這是一個(gè)包含一股miRNA或siRNA(small interfering RNA)的多蛋白復(fù)合體[11]。miRNA/雙工miRNA被整合到RISC中之后，通過(guò)與mRNA配對(duì)來(lái)引導(dǎo)AGO降解靶基因或抑制靶基因的翻譯。

1.3 miRNAs的作用機(jī)制

miRNAs對(duì)靶mRNA表達(dá)和調(diào)控主要通過(guò)兩個(gè)機(jī)制進(jìn)行，即靶mRNA的裂解和翻譯抑制。miRNAs及其靶基因結(jié)合位點(diǎn)之間的互補(bǔ)程度決定了其作用方式，高互補(bǔ)性的miRNAs介導(dǎo)靶基因的切割，而互補(bǔ)性較差的miRNAs則介導(dǎo)翻譯抑制[12]。在大多數(shù)植物中，miRNAs的靶基因位于ORFs(open-reading frame)的開(kāi)放閱讀框，偶爾也位于5′末端的UTR區(qū)、3′末端的UTR區(qū)以及非編碼RNA中[13]。研究表明，在某些情況下裂解和翻譯抑制可能重疊，miRNAs對(duì)mRNA表達(dá)的調(diào)節(jié)受不同機(jī)制的影響，其中包括內(nèi)切核酸酶裂解、翻譯表達(dá)或兩者的結(jié)合[14]。綜上所述， miRNAs可能通過(guò)上述機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)，且miRNAs調(diào)控機(jī)制對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)都有重要影響。

2 響應(yīng)干旱脅迫的miRNAs

2.1 響應(yīng)干旱脅迫的miRNAs表達(dá)譜分析

高通量測(cè)序技術(shù)(high-throughput sequencing)是傳統(tǒng)測(cè)序基礎(chǔ)上的一次革命性改變，可同時(shí)對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)短序列讀長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)序，這使得對(duì)一個(gè)物種的轉(zhuǎn)錄組和基因組進(jìn)行細(xì)致全貌的分析成為可能[15]。相關(guān)研究人員利用高通量測(cè)序技術(shù)，在干旱脅迫和ABA處理后發(fā)現(xiàn)了大量參與豆科植物特有細(xì)胞過(guò)程的miRNAs。Kulcheski等[16]利用高通量測(cè)序技術(shù)在大豆中鑒定出了256個(gè)干旱敏感型或耐旱型miRNAs，其中有71個(gè)是保守的miRNAs。另有研究發(fā)現(xiàn)了22個(gè)保守的miRNAs家族和4個(gè)新的miRNAs家族中的121個(gè)miRNAs變體。對(duì)其中的11個(gè)miRNAs進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下大多數(shù)miRNAs在敏感的基因型中表達(dá)上調(diào)，而在耐受的基因型中表達(dá)下調(diào)，miRNAs在兩種基因型中的不同表達(dá)可能與其調(diào)控的基因抗旱性有關(guān)。同樣，Barrera-Figueroa等[17]利用高通量測(cè)序技術(shù)從2個(gè)豇豆基因型(抗旱和敏感)的sRNA庫(kù)中鑒定出89個(gè)家族的157個(gè)miRNAs，通過(guò)比較干旱脅迫處理和對(duì)照處理植物的表達(dá)水平，確定了28個(gè)家族的44個(gè)miRNAs可響應(yīng)干旱脅迫，其中30個(gè)miRNAs的表達(dá)上調(diào)，14個(gè)miRNAs的表達(dá)下調(diào)。結(jié)果表明，這些miRNAs家族可能參與了保守的干旱脅迫響應(yīng)途徑。此外，32個(gè)miRNAs具有多種預(yù)測(cè)的生理功能，這些預(yù)測(cè)目標(biāo)大部分是轉(zhuǎn)錄因子。Liu等[15]對(duì)干旱敏感的番茄基因型M82和IL9-1幼苗進(jìn)行干旱處理，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下IL9-1的存活率和H2O2消除方面表現(xiàn)優(yōu)于M82，并利用高通量測(cè)序技術(shù)構(gòu)建了4個(gè)sRNA和8個(gè)mRNA文庫(kù)，鑒定出105個(gè)保守的miRNAs和179個(gè)新的miRNAs，其中，在干旱脅迫下差異表達(dá)分別有54和98個(gè)；且在M82和IL9-1中分別發(fā)現(xiàn)2 714和1 161個(gè)在干旱脅迫下差異表達(dá)的基因，它們的許多同源基因與植物非生物脅迫有關(guān)。

數(shù)字基因表達(dá)譜(dgital gene expression profiling，DGE)利用新一代高通量測(cè)序技術(shù)和高性能計(jì)算分析技術(shù),能夠全面、經(jīng)濟(jì)、快速地檢測(cè)某一物種特定組織在特定狀態(tài)下的基因表達(dá)情況[18]。Yin等[19]為了解煙草在響應(yīng)非生物脅迫過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄模式，從正常和干旱脅迫的煙草根中測(cè)序并分析了3個(gè)DGE庫(kù)，發(fā)現(xiàn)了276個(gè)響應(yīng)干旱脅迫的基因，其中82個(gè)是轉(zhuǎn)錄因子(TFs)，包括WRKY、NAC、ERF和bZIP家族；此外，鑒定出39個(gè)miRNAs家族中的122個(gè)miRNAs在干旱脅迫下差異表達(dá)，其中miR160在干旱脅迫下表達(dá)上調(diào)，且miR160的靶基因是ARF轉(zhuǎn)錄因子，miR395在干旱脅迫下表達(dá)下調(diào)，其靶基因尚不清楚；而一些常見(jiàn)的miRNAs家族(如miR159、miR169、miR402和miR408)干旱脅迫下的表達(dá)沒(méi)有變化，說(shuō)明文庫(kù)間變化以及不同脅迫條件可能引起不同的植物反應(yīng)和生理響應(yīng)。

以上研究結(jié)果表明，通過(guò)高通量表達(dá)譜和數(shù)字基因表達(dá)譜分析，已發(fā)現(xiàn)多種植物中存在大量響應(yīng)干旱脅迫的miRNAs，其中普遍響應(yīng)的miRNAs包括miR156、miR159、miR160、 miR169、miR319、miR393、miR396、miR408等。

2.2 miRNAs對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的模式

2.2.1響應(yīng)干旱脅迫miRNAs與植物物種依賴性

miRNAs的表達(dá)水平或?qū)Ω珊得{迫響應(yīng)具有物種依賴性，相同miRNAs在不同物種中的表達(dá)存在差異。例如，干旱脅迫下miR156在擬南芥(Arabidopsisthaliana)、桃樹(shù)(Prunuspersica)、大麥(HordeumvulgareL.)、柳枝稷(Panicumvirgatum)和小麥(Triticumaestivum)中表達(dá)上調(diào)，但在水稻(Oryzasativa)和玉米(ZeamaysL.)中的表達(dá)下調(diào)[20]。另有研究表明，干旱脅迫下擬南芥、桃樹(shù)、柳枝稷和苜蓿(Medicagotruncatula)中miR169的表達(dá)下調(diào)，但在水稻、大豆(Glycinemax)、胡楊(Populuseuphratica)和番茄(Lycopersiconesculentum)中miR169的表達(dá)上調(diào)[21]。miR1510 在大豆中表達(dá)上調(diào)，但在苜蓿中表達(dá)下調(diào)；miR396在苜蓿和豇豆(Vignaunguiculata)中表達(dá)下調(diào)，但在大豆中表達(dá)上調(diào)[22]。Lu等[23]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下miR1450在野生二粒小麥中表達(dá)上調(diào)，而在毛果楊(Populustrichocarpa)中的表達(dá)下調(diào)，結(jié)果表明，miR1450受到不同植物物種的不同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制。Akdogan等[24]研究表明，干旱脅迫下miR399在玉米和小麥中表達(dá)上調(diào)，但在水稻中表達(dá)下調(diào)。另有研究表明，干旱脅迫下水稻和玉米中miR168的表達(dá)下調(diào)，而在擬南芥中miR168的表達(dá)上調(diào)[25]。

2.2.2響應(yīng)干旱脅迫miRNAs與干旱脅迫條件

同一種植物的相同miRNAs在不同干旱條件下也會(huì)表現(xiàn)出不同的反應(yīng)。Trindade等[26]研究表明，在干旱脅迫下miR398a/b在苜蓿中的表達(dá)量增加。而在Li等[27]的研究中，不同干旱脅迫條件下相同的miRNAs在苜蓿中表達(dá)水平下降，這說(shuō)明了miRNAs對(duì)不同程度干旱脅迫的高度敏感性。Frazier等[28]研究表明，不同濃度聚乙二醇(polyethyleneglycol，PEG)模擬的干旱條件下，相同的miRNAs如miR167、miR172、miR393、miR395、miR396、miR398和miR399在煙草植物中表現(xiàn)出不同程度的上調(diào)或下調(diào)。由于不同時(shí)間和不同處理?xiàng)l件的作用，導(dǎo)致miRNAs的表達(dá)存在差異，推測(cè)可能是不同干旱脅迫條件下miRNAs調(diào)控的靶基因發(fā)生了改變，進(jìn)而導(dǎo)致miRNAs表達(dá)的改變。Wang等[29]研究表明，在田間中度干旱脅迫條件下玉米miR156的表達(dá)下調(diào)，而在田間嚴(yán)重干旱脅迫條件下玉米miR156的表達(dá)上調(diào)；在PEG模擬干旱脅迫處理16 h后miR156的表達(dá)上調(diào)，而在干旱處理24 h后表達(dá)下調(diào)。以上研究結(jié)果表明，植物miRNAs在不同干旱脅迫條件下的表達(dá)存在差異。

2.2.3響應(yīng)干旱脅迫miRNAs與植物組織特異性表達(dá)干旱脅迫下相同miRNAs在同種植物不同組織中的表達(dá)可能相似或者不同，同一miRNAs在不同植物相同組織中的表達(dá)可能相似或者不同。例如，miR169在水稻根中的誘導(dǎo)作用比在芽中更明顯[30]。干旱調(diào)控的miRNAs在大麥不同組織中表達(dá)不同，如Hvu-miR166a在大麥葉片中表達(dá)上調(diào)，在根系中表達(dá)下調(diào)；Hvu-miR168-5p僅在大麥葉片中表達(dá)上調(diào)，在根組織中表達(dá)水平不變；Osa-miR393a和Hvu-miRX35在葉片中表達(dá)，但在根中不表達(dá)[31]。有研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下miR172在玉米根部表達(dá)下調(diào)，而在水稻和小麥葉片中miR172的表達(dá)下調(diào)，在小麥根系中miR172的表達(dá)上調(diào)[32]。以上研究結(jié)果表明，響應(yīng)干旱脅迫的miRNAs在植物組織中存在特異性表達(dá)。

3 響應(yīng)干旱脅迫miRNAs的靶基因

miRNAs在植物干旱脅迫中有重要的調(diào)控作用，miRNAs可通過(guò)編碼功能蛋白和調(diào)控功能蛋白靶基因的上調(diào)和下調(diào)來(lái)響應(yīng)干旱脅迫。一些響應(yīng)干旱脅迫miRNAs的靶基因可對(duì)植物抗旱性起積極作用，另一些則起消極作用。因此，miRNAs的靶基因與植物的抗旱性息息相關(guān)。通常miRNAs的表達(dá)上調(diào)意味著在相同的環(huán)境條件下，其靶基因表達(dá)下調(diào)，反之亦然。Sunkar等[33]研究表明，過(guò)表達(dá)靶基因或降解相應(yīng)的miRNAs，可增加靶基因的積累，從而提高植物抗旱性。近年來(lái)，有許多響應(yīng)干旱脅迫的miRNAs及其對(duì)應(yīng)的靶基因的研究報(bào)道，這些靶基因的功能各不相同(圖1)[34]。

圖1 干旱脅迫下miRNAs的靶基因及功能[34]Fig.1 Target genes and functions of miRNAs under drought stress[34]

3.1 miRNAs與植物激素合成

在干旱條件下，植物生長(zhǎng)素(auxin)、赤霉素(gibberellin)和細(xì)胞分裂素(cytokinin)的濃度下降，而脫落酸(abscisic acid，ABA)和乙烯(ethylene)的內(nèi)源濃度則上升[30]。miRNAs可調(diào)節(jié)植物對(duì)激素信號(hào)的響應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)植株的抗旱性。Xia等[35]研究發(fā)現(xiàn)，miR393可調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)素信號(hào)，因?yàn)閙iR393的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致水稻對(duì)生長(zhǎng)素合成敏感性降低，從而降低干旱脅迫下植物的生長(zhǎng)。miR393還被證實(shí)可降解生長(zhǎng)素受體或生長(zhǎng)素(Aux/IAA)的陽(yáng)性調(diào)節(jié)因子TIR1 (transport inhibitor response 1)，從而降低生長(zhǎng)素的濃度[36]。但miR393的具體調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。Reyes等[37]發(fā)現(xiàn)，miR159的靶基因?yàn)镸YB33和MYB101，它們是干旱脅迫下ABA合成的重要參與者。另有學(xué)者對(duì)ABA超敏突變體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)涉及miRNAs合成的幾個(gè)基因包括DCL1、HASTY、HEN1、HYL1和SE，其中DCL1和HEN1突變體在發(fā)芽過(guò)程中對(duì)ABA敏感，而SE和HASTY突變體則對(duì)高滲透和鹽脅迫敏感[38]。miR156參與調(diào)控ABA和花青素的合成，進(jìn)而增加花青素合成相關(guān)基因的表達(dá)水平，提高花青素含量和植物的抗旱性[39]。研究表明，擬南芥等雙子葉植物在干旱脅迫下一些miRNAs(miR160、miR164、miR165和 miR166)參與調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素信號(hào)途徑，促進(jìn)植株側(cè)根生長(zhǎng)[40]。

3.2 miRNAs與轉(zhuǎn)錄因子

3.2.1miRNAs與MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor，TF)家族之一，在植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中起著多方面的作用[37]。miR159的靶基因主要為MYB轉(zhuǎn)錄因子家族。Xue等[41]研究表明，干旱脅迫下擬南芥miR159的靶基因是MYB轉(zhuǎn)錄因子家族中的MYB33、MYB65和MYB101。miR159的表達(dá)下調(diào)可促進(jìn)其靶基因的表達(dá)上調(diào)，靶基因的表達(dá)會(huì)促進(jìn)擬南芥根部分生組織的細(xì)胞分裂，增強(qiáng)初級(jí)根的生長(zhǎng)，加速細(xì)胞周期。另有研究發(fā)現(xiàn)，番茄miR159的靶基因是MYB轉(zhuǎn)錄因子(SlMYB33)，該基因與脯氨酸和腐胺的積累有關(guān)，從而促進(jìn)了植株對(duì)干旱脅迫的耐受性[42]。

3.2.2miRNAs與NAC轉(zhuǎn)錄因子NAC轉(zhuǎn)錄因子家族基因受microRNAs的調(diào)控，miRNA164可提高水稻抗旱性，其靶基因?yàn)镹AC類轉(zhuǎn)錄因子[43]。水稻miR164b的靶基因?yàn)镺sNAC2，OsNAC2基因的表達(dá)可提高水稻植株的抗旱性和耐鹽性[43]。Shuai等[44]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下毛果楊miR160和miR164的表達(dá)下調(diào)，其靶基因ARF和NAC類轉(zhuǎn)錄因子家族基因表達(dá)量增加；此外，毛果楊miR408、miR1444和miR394在干旱脅迫下的表達(dá)下調(diào)，其靶基因主要是脫水反應(yīng)蛋白。Qiu等[45]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下小麥miR160、miR164和miR398的表達(dá)下調(diào)，其靶基因?yàn)樯L(zhǎng)素反應(yīng)因子(ARF22)、NAC類轉(zhuǎn)錄因子和Cu/Zn SOD的表達(dá)水平提高。

3.2.3miRNAs與SPL轉(zhuǎn)錄因子SPL(squamosa promoter-binding protein like)轉(zhuǎn)錄因子家族是植物特有的，主要通過(guò)結(jié)合下游基因啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件GTAC基序，參與調(diào)控下游基因的表達(dá)。SPLs轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育和信號(hào)傳導(dǎo)等方面有著重要作用。miR156s在植物中具有高度保守性，通過(guò)識(shí)別其轉(zhuǎn)錄本發(fā)現(xiàn)，miR156s可將SPL基因的一個(gè)子集作為目標(biāo)，其中在17個(gè)擬南芥SPL中，有11個(gè)是miR156s的靶基因，在水稻中發(fā)現(xiàn)有11個(gè)OsSPL基因是水稻miR156的靶基因[46]。因此，miR156的靶基因主要為SPL轉(zhuǎn)錄因子家族。Zheng等[47]研究表明，干旱條件下，擬南芥miR156的靶基因包括3種SPL基因(SPL3、SPL9和SPL10)，這些基因與促進(jìn)側(cè)根生長(zhǎng)相關(guān)。另有研究發(fā)現(xiàn)，miR156的靶基因?yàn)镾PL轉(zhuǎn)錄因子，且miR156在調(diào)節(jié)苜蓿植物發(fā)育中起著重要作用[48]。Feyissa等[49]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿miR156可調(diào)節(jié)至少7個(gè)SPL基因(SPL2、SPL3、SPL4、SPL6、SPL9、SPL12和SPL13)。此外miR156的靶基因還包括bHLH、HD-ZIP、TCP、C2H2和WRKY等轉(zhuǎn)錄因子家族。

3.2.4miRNAs與其他轉(zhuǎn)錄因子NF-Y轉(zhuǎn)錄因子家族參與植物生長(zhǎng)和發(fā)育。Li等[30]研究表明，干旱脅迫下miR169的靶基因?yàn)镹F-Y轉(zhuǎn)錄因子。生長(zhǎng)調(diào)控因子(GRFs)是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族，其中包含2個(gè)保守域QLQ和WRC，GRFs信號(hào)通路介導(dǎo)植物種子發(fā)育、根系生長(zhǎng)和花的發(fā)育等重要生命過(guò)程[50]。研究表明，干旱脅迫下，水稻miR396d的靶基因是水稻生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子相關(guān)基因(OsGRF)，mR396d的表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致靶基因的表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而有效緩解干旱對(duì)花器官發(fā)育造成的損傷[51]。HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子屬于Homeobox蛋白家族，由高度保守的HD(Homeodomain)結(jié)構(gòu)域和Leu zipper(Zip)元件組成，前者可與DNA特異結(jié)合，后者可介導(dǎo)蛋白二聚體的合成[52]。HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子家族包括4個(gè)亞家族(HD-Zip Ⅰ-Ⅳ)。Zhang等[52]研究表明，miR166的靶基因是HD-ZIPⅢ轉(zhuǎn)錄因子，通過(guò)調(diào)節(jié)靶基因HD-ZIP可促進(jìn)水稻根部、分生組織和葉片的細(xì)胞發(fā)育。

3.3 miRNAs與植物抗氧化系統(tǒng)

抗氧化酶可清除活性氧(reactive oxygen species，ROS)，增強(qiáng)植物對(duì)干旱脅迫的耐受性。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是一種重要的ROS清除酶，在非生物脅迫中發(fā)揮重要作用，植物中的SOD根據(jù)金屬配體的不同可分為3種類型，分別是鐵SOD(Fe-SOD)、錳SOD(Mn-SOD)和銅鋅SOD(CuZnSOD)[53]。過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)是以過(guò)氧化氫為電子受體催化底物氧化的酶，參與多種生理代謝，具有消除過(guò)氧化氫和酚類、胺類、醛類、苯類毒性的雙重作用[54]。過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)與SOD和POD略有不同，非生物脅迫會(huì)破壞CAT的活性[55]。

已有研究證實(shí)miRNAs在干旱脅迫的響應(yīng)主要涉及激素信號(hào)、脂質(zhì)和碳水化合物代謝以及抗氧化防御等方面，其中miR528的靶基因可編碼SOD和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)等過(guò)氧化氫清除網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵酶，可緩解ROS對(duì)植株造成的損傷[53]。干旱脅迫下在水稻耐旱品種中miRNAs(如miR159f、miR397a、miR398b、miR408-3p、miR528-5p、miR1871和miR2878-5p)的表達(dá)上調(diào)，在干旱敏感型品種中表達(dá)下調(diào)，其靶基因?yàn)橹参锷睾虲u/Zn SOD等，可增強(qiáng)ROS的清除水平并促進(jìn)氣孔閉合[54]。miR408的靶基因?yàn)殂~調(diào)控相關(guān)基因，且miR408的表達(dá)上調(diào)可增強(qiáng)陸地植物的抗旱性，使用qRT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)miR408可調(diào)控7個(gè)與干旱響應(yīng)相關(guān)的基因(如DREB轉(zhuǎn)錄因子等)的表達(dá)[55]。干旱脅迫下紅花miR398在根和葉中的表達(dá)下調(diào)，其靶基因是可清除ROS的CSD1[56]。Wei等[57]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下miR168和miR528的表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致它們的靶基因絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和POD活性提高，進(jìn)而增強(qiáng)植株的抗旱性。

4 miRNAs介導(dǎo)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制

miRNAs在植物干旱脅迫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用(圖2)[34]。目前已報(bào)道了多種響應(yīng)干旱脅迫的植物miRNAs，其響應(yīng)機(jī)制的研究也在逐步開(kāi)展，miRNAs介導(dǎo)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制研究主要在植物激素信號(hào)的調(diào)控方面。

圖2 干旱脅迫響應(yīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)[34]Fig.2 Regulating network involved in response to drought stress[34]

4.1 脫落酸信號(hào)與miRNAs調(diào)控

ABA在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用，如種子成熟、種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和氣孔運(yùn)動(dòng)等，ABA被認(rèn)為是在干旱和其他非生物脅迫下對(duì)脅迫感知和響應(yīng)路徑中的重要信號(hào)。干旱脅迫會(huì)抑制植物側(cè)根生長(zhǎng)，同時(shí)將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向主根運(yùn)輸，以便更有效地從土壤深處吸收水分。Nambara等[58]研究表明，ABA可作為植物中的特定脅迫信號(hào)，因此在干旱脅迫下根的脫水過(guò)程中會(huì)形成ABA。研究發(fā)現(xiàn)，ABA信號(hào)使miR393的表達(dá)上調(diào)。另有研究表明，擬南芥中的ABA 超敏感突變可增加miR393的表達(dá)水平，減少側(cè)根生長(zhǎng)，因此miR393可作為干旱脅迫下的根系調(diào)節(jié)劑。此外，已知miR393的靶基因還包括生長(zhǎng)素受體TIR1和AFB[59]。大多數(shù)響應(yīng)ABA信號(hào)的基因啟動(dòng)子中均具有保守的順式作用元件和ABA響應(yīng)元件(ABREs)。研究表明，擬南芥中miR167在干旱脅迫下表達(dá)上調(diào)，且在相應(yīng)基因的啟動(dòng)子中具有ABREs的響應(yīng)元件[60]。綜上所述，miR393和miR167可用于研究干旱脅迫響應(yīng)機(jī)制。ABA在植物種子中也發(fā)揮著重要作用，可促進(jìn)休眠。Reyes等[37]研究表明，外源ABA或干旱處理會(huì)影響擬南芥中miR159的表達(dá)水平，miR159介導(dǎo)MYB轉(zhuǎn)錄因子的裂解，這些轉(zhuǎn)錄因子是植物中ABA反應(yīng)的正向調(diào)節(jié)劑，因此miR159的過(guò)表達(dá)會(huì)抑制轉(zhuǎn)基因植物中MYB33和MYB101基因的表達(dá)，并降低植物對(duì)ABA的敏感度。Lian等[61]研究表明，miR159的靶mRNA可調(diào)節(jié)ABA的含量，誘導(dǎo)干旱脅迫下的種子休眠。此外，與干旱和ABA調(diào)節(jié)相關(guān)的miRNAs包括miR168、miR169、miR319、miR396、miR397、miR2118、miR393和miR167等。其中miR168和miR396的啟動(dòng)子區(qū)域中包含ABRE的順式作用元件，且干旱脅迫下促進(jìn)其表達(dá)。因此，推測(cè)啟動(dòng)子中存在ABRE的miRNAs基因會(huì)影響植物的抗旱性[62]。以上結(jié)果揭示了miRNAs在ABA調(diào)控與植物抗旱性之間扮演著十分重要的角色。

4.2 乙烯信號(hào)與miRNAs調(diào)控

乙烯是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小分子化合物，參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，且與植物抵御干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制密切相關(guān)。通常情況下，干旱脅迫誘導(dǎo)高等植物體內(nèi)乙烯含量增加。有研究表明，葉片衰老是抗旱的響應(yīng)機(jī)制之一，因?yàn)槿~片衰老可減少樹(shù)冠的大小和蒸騰作用，使水分和養(yǎng)分流向生殖器官，miRNAs可能參與植物葉片衰老的調(diào)控過(guò)程[27]。Kim等[63]研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中乙烯信號(hào)蛋白EIN2(ethylene insensitive 2)會(huì)下調(diào)干旱脅迫下衰老葉片中miR164的表達(dá)，這使NAC1、ORE1和At5g61430等基因的表達(dá)水平上調(diào)，因此miR164可作擬南芥葉片衰老的調(diào)節(jié)劑。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR164的過(guò)表達(dá)或抑制會(huì)影響其靶基因ORE1的表達(dá)，延長(zhǎng)擬南芥葉片壽命。

當(dāng)植物受到干旱脅迫刺激時(shí)，會(huì)促進(jìn)超氧化物陰離子和過(guò)氧化氫等ROS物質(zhì)的生成，而ROS可作為信號(hào)分子刺激乙烯合成酶的活性提高，進(jìn)而促進(jìn)乙烯合成，增強(qiáng)植株的抗旱性[64]。研究表明，當(dāng)乙烯信號(hào)缺失時(shí)，乙烯受體活化激酶CRT1可調(diào)控下游的乙烯反應(yīng)途徑，番茄CTR家族有SlCTR1、2、3和4四個(gè)成員，干旱脅迫下miR1917可調(diào)控其靶基因乙烯信號(hào)負(fù)調(diào)控因子SlCTR4的可變剪切體SlCTR4sv1和SlCTR4sv2基因的表達(dá)，參與乙烯信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控[65]。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子編碼的Hahb-4基因表達(dá)上調(diào)，且Hahb-4基因在乙烯介導(dǎo)的葉片衰老過(guò)程中表達(dá)上調(diào)，該基因的過(guò)表達(dá)會(huì)增強(qiáng)植物對(duì)干旱脅迫的耐受性[66]。以上結(jié)果表明，乙烯信號(hào)參與調(diào)控miR164和miR1917的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物對(duì)干旱脅迫的抗性。

5 展望

多變的氣候條件和環(huán)境非生物脅迫是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，干旱是限制全球農(nóng)作物生產(chǎn)和產(chǎn)量的重要非生物脅迫之一。miRNAs參與調(diào)控植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，但是其過(guò)程非常復(fù)雜。因此，對(duì)干旱脅迫下不同植物物種miRNAs的表達(dá)譜進(jìn)行研究是至關(guān)重要的，通過(guò)表達(dá)譜分析可探究植物在抵御干旱脅迫過(guò)程中miRNAs的保守性和物種特異性。然而植物的抗旱機(jī)制是十分復(fù)雜的過(guò)程，每個(gè)內(nèi)源性miRNAs可調(diào)控多個(gè)基因，不同的基因又有著不同的功能，且某些基因可由多個(gè)miRNAs調(diào)控，這正是現(xiàn)階段miRNAs參與干旱脅迫的作用機(jī)制及其靶基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚未十分清楚的主要原因。因此，盡管目前已從多種植物中鑒定出許多miRNAs，且其中部分miRNAs已被證明受干旱調(diào)控，但這些miRNAs的靶基因及其具體調(diào)控機(jī)制仍是未知的，需進(jìn)一步研究。只有了解miRNAs如何響應(yīng)干旱脅迫才能知道m(xù)iRNAs對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，所以，未來(lái)的主要研究方向?qū)⑹窃谕诰蝽憫?yīng)干旱脅迫miRNAs的靶基因，探究miRNAs調(diào)控基因中的順式調(diào)控元件的特征以確定相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，探索干旱脅迫調(diào)控miRNAs的機(jī)制以及靶基因的功能與植物干旱脅迫應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵因子間的相互作用，構(gòu)建植物抗旱microRNAs資源庫(kù)等。這將有助于鑒定miRNAs的抗旱能力以及進(jìn)一步探究植物在干旱脅迫下基因表達(dá)調(diào)控作用機(jī)制，為通過(guò)分子育種和改良培育新型抗旱植物品種提供參考。