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        miRNA及其靶基因調(diào)控植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的研究進(jìn)展

        2022-11-14 22:28:03劉立盤涂圣勇楊愛紅劉騰云余發(fā)新
        關(guān)鍵詞:植物

        劉立盤 涂圣勇 楊愛紅 胡 淼 周 華 劉騰云 胡 萍 余發(fā)新*

        (1.江西省科學(xué)院生物資源研究所/江西省觀賞植物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330096; 2.江西省永豐國(guó)家森林公園管理局,江西 吉安 331500)

        植物根系一般由主根、側(cè)根和不定根組成,依據(jù)其形態(tài)可以分為直根系和須根系,直根系一般由主根和側(cè)根組成,須根系一般由不定根和側(cè)根組成。植物根系生長(zhǎng)過程包括胚胎和胚后發(fā)育,胚胎發(fā)育產(chǎn)生主根或胚根,而胚后發(fā)育產(chǎn)生側(cè)根、不定根和支撐根。根系依據(jù)發(fā)生部位不同可以分為定根和不定根。作為植物體的重要器官,植物根系對(duì)養(yǎng)分和水分吸收、植株直立、激素和次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生等方面起著至關(guān)重要的作用。

        miRNA(microRNA)是一類在調(diào)控基因表達(dá)發(fā)揮重要作用的單鏈內(nèi)源性非編碼RNA,大小通常在20~24 nt。大多數(shù)miRNA是由DNA序列轉(zhuǎn)錄成初級(jí)miRNA(pri-miRNA),然后加工成前體miRNA(pre-miRNA),最終加工成成熟的miRNA。在大多數(shù)情況下,miRNA通過與靶標(biāo)mRNA的3個(gè)非翻譯區(qū)(untranslated region, UTR)相互作用,誘導(dǎo)mRNA切割或翻譯抑制。miRNA首次在秀麗隱桿線蟲(

        Caenorhabditis

        elegans

        )中發(fā)現(xiàn),植物中的第一個(gè)miRNA在擬南芥(

        Arabidopsis

        thaliana

        )中被發(fā)現(xiàn),命名為miR171。近年來(lái)關(guān)于miRNA的生物學(xué)特性、功能分析和逆境脅迫等方面的研究報(bào)道逐年攀升,miRNA已然成為分子生物學(xué)領(lǐng)域炙手可熱的“明星分子”。在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷史中,植物進(jìn)化出了復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)功能基因的表達(dá),從而實(shí)現(xiàn)植物的生存和繁衍。大量研究表明,miRNA在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中發(fā)揮主導(dǎo)作用,尤其傾向于靶向轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮其調(diào)控作用。miRNA在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中發(fā)揮著極其重要的作用,如參與了發(fā)育進(jìn)程、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)降解、逆境脅迫和病原體入侵的響應(yīng),并調(diào)節(jié)自身的生長(zhǎng)發(fā)育等。miRBase(https:∥www.mirbase.org/)是一個(gè)儲(chǔ)存miRNA序列數(shù)據(jù)、注釋信息及預(yù)測(cè)靶基因序列的在線數(shù)據(jù)庫(kù)。最新發(fā)布的miRBase(Release 22.1)版本包含271種生物的miRNA序列,其中包括38 589條前體序列和48 860條成熟序列。植物miRNA數(shù)據(jù)庫(kù)PMRD(http:∥bioinformatics.cau.edu.cn/PMRD/)共收錄了128種植物的miRNA序列,包含1 530條擬南芥和2 780條毛果楊(

        Populus

        trichocarpa

        )miRNA序列。miRNA及其靶基因在植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段都發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。目前,關(guān)于miRNA調(diào)控根系生長(zhǎng)發(fā)育的系統(tǒng)性綜述尚未見報(bào)道。本研究以“miRNA”、“植物”和“根系”為關(guān)鍵詞,檢索了1993—2021年國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,按照miRNA命名類別對(duì)miRNA調(diào)控植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制進(jìn)行整理和歸納,旨在闡述miRNA及其靶基因?qū)χ参锔蛋l(fā)育的調(diào)控功能,以期為植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的深入研究提供參考。

        1 文獻(xiàn)來(lái)源

        依據(jù)PubMed、Web of Science和中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù),以“miRNA”、“植物”和“根系”為關(guān)鍵詞檢索了1993—2021年國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道118篇。

        2 植物miRNA調(diào)控根系的機(jī)制與生物學(xué)功能

        2.1 miR156

        植物組織再生能力隨生理年齡增加而逐漸降低是一種普遍現(xiàn)象, miR156的靶向調(diào)控發(fā)揮著重要功能。miR156 最早在擬南芥中被發(fā)現(xiàn),經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在植物進(jìn)化中高度保守。擬南芥miR156通過調(diào)控靶基因

        SPL

        (SQUAMOSA promoter binding protein-like)抑制不定根的發(fā)育。從分子機(jī)制上看,miR156隨著生理年齡的增長(zhǎng)相對(duì)表達(dá)量下降,導(dǎo)致其靶基因

        SPL

        表達(dá)量上升,進(jìn)而導(dǎo)致不定根再生能力下降。擬南芥miR156過表達(dá)產(chǎn)生更多的側(cè)根,其靶基因

        SPL10

        起主導(dǎo)作用,

        SPL10

        在側(cè)根的整個(gè)發(fā)育階段都保持較高的轉(zhuǎn)錄活性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)根系發(fā)育時(shí)期用10 μmol/L吲哚乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)處理可誘導(dǎo)miR156表達(dá),抑制靶向

        SPLs

        (

        SPL9

        SPL10

        )轉(zhuǎn)錄表達(dá)。Barrera-Rojas等研究發(fā)現(xiàn)miR156通過負(fù)調(diào)控靶基因

        SPLs

        抑制主根的伸長(zhǎng),miR156通過靶標(biāo)

        SPL10

        控制擬南芥根尖分生組織活性。水稻(

        Oryza

        sativa

        )不定根的生長(zhǎng)發(fā)育過程受到遺傳及環(huán)境因素的綜合調(diào)控,Shao等研究發(fā)現(xiàn)1個(gè)水稻少冠狀根的突變體

        lcrn1

        (

        lower

        crown

        root

        number1

        )的

        SPL3

        點(diǎn)突變干擾了miR156對(duì)它的轉(zhuǎn)錄后抑制,導(dǎo)致

        SPL3

        轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物積累,蛋白含量增加,抑制了不定根的發(fā)生,

        SPL3

        直接結(jié)合下游靶基因

        MADS50

        的啟動(dòng)子調(diào)控其表達(dá)。

        MADS50

        過表達(dá)抑制水稻不定根數(shù)目,而在

        lcrn1

        中敲除

        MADS50

        可部分恢復(fù)不定根數(shù)目。對(duì)另一個(gè)水稻冠狀根缺陷突變體

        crd1

        (

        crown

        root

        defect1

        )研究發(fā)現(xiàn)

        CRD1

        基因通過調(diào)控不定根原基的發(fā)生影響不定根的發(fā)育,

        crd1

        突變體較野生型不定根數(shù)顯著減少,發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)抑制miR156時(shí)才能模擬出類似

        crd1

        突變體的不定根缺失表型。植物通過基因表達(dá)和生理代謝的變化來(lái)響應(yīng)非生物逆境脅迫。玉米(

        Zea

        mays

        )通過miR156-

        SPL

        調(diào)節(jié)生理代謝及側(cè)根形態(tài)來(lái)響應(yīng)鹽脅迫。棉花(

        Gossypium

        hirsutum

        )在鉛脅迫下miR156-

        SPL

        和miR396-

        GRF

        參與了根的應(yīng)激響應(yīng)。紫花苜蓿(

        Medicago

        sativa

        )miR156通過沉默轉(zhuǎn)錄因子SPL調(diào)控各種生物學(xué)功能,在紫花苜蓿中發(fā)現(xiàn)3個(gè)

        SPL

        基因(

        SPL6

        、

        SPL12

        SPL13

        )的轉(zhuǎn)錄本被miR156切割,在根系中均可檢測(cè)到

        SPL

        基因表達(dá)水平。而且紫花苜蓿miR156過表達(dá)會(huì)抑制

        SPL12

        的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)植株根系伸長(zhǎng)和再生。已有報(bào)道紫花苜蓿miR156可以通過沉默

        SPL13

        和增加

        WD40-1

        的表達(dá)水平從而改變根系結(jié)構(gòu),提高抗旱能力。植物形成更多的不定根對(duì)于林業(yè)和園藝植物營(yíng)養(yǎng)繁殖至關(guān)重要,是多年生木本植物無(wú)性繁殖成功的關(guān)鍵因素。用3 g/L吲哚丁酸(indolebutyric acid, IBA)處理小金海棠(

        Malus

        xiaojinensis

        )幼齡和復(fù)幼半木質(zhì)化插穗后,插穗中miR156表達(dá)水平顯著升高,不定根發(fā)生能力顯著高于成齡樹。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)成齡小金海棠插穗在IBA處理下,細(xì)胞壁代謝、細(xì)胞分裂和碳水化合物代謝等與不定根形成相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào),從而抑制細(xì)胞去分化和再分化,抑制不定根的形成,其中受IBA誘導(dǎo)表達(dá)的

        HB13

        受到

        SPL26

        的負(fù)調(diào)控,并結(jié)合

        ABCB19-2

        的啟動(dòng)子,因此miR156介導(dǎo)的多基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在外源IBA激素誘導(dǎo)下參與了小金海棠的不定根形成過程。

        2.2 miR160

        植物生長(zhǎng)素信號(hào)通路是由生長(zhǎng)素響應(yīng)因子(Auxin response factor, ARF)家族介導(dǎo)的,擬南芥miR160通過靶向

        ARF17

        調(diào)控根系生長(zhǎng)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)miR160調(diào)控

        ARF10

        ARF16

        ,從而控制根冠細(xì)胞的形成;miR160過表達(dá)與

        arf10-2

        arf16-2

        雙突變體根冠表型為相同的根尖缺陷,根冠細(xì)胞分化分裂受阻。擬南芥

        ARF6

        、

        ARF8

        ARF17

        參與了下胚軸不定根的生長(zhǎng)發(fā)育,并受到miR160和miR167的調(diào)控,其中miR160的靶基因

        ARF17

        負(fù)調(diào)控不定根的形成,而miR167的靶基因

        ARF6

        ARF8

        正調(diào)控不定根的形成。因此,miR160和miR167及其靶基因在控制擬南芥不定根形成過程中可能形成一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控通路。豆科植物蒺藜苜蓿(

        Medicago

        truncatula

        )miR160在根系發(fā)育中存在2種變異序列(mtr-miR160abde和mtr-miR160c),靶向17個(gè)候選

        ARF

        基因,mtr-miR160a過表達(dá)株系根長(zhǎng)縮短、根尖分生組織發(fā)育嚴(yán)重紊亂。miR160在非生物脅迫中也具有生物學(xué)功能。在正常和干旱脅迫的煙草根中鑒定到122個(gè)差異表達(dá)的miRNA,其中miR160在干旱脅迫下表達(dá)上調(diào),靶向調(diào)控ARF轉(zhuǎn)錄因子,miRNAs參與了煙草干旱脅迫下根系發(fā)生。另外對(duì)紅花大金元煙草(

        Nicotiana

        tabacum

        )的根莖葉不同組織miRNA差異表達(dá)分析,nta-miR160c在根組織中表達(dá)量高度富集,nta-miR319a在莖中顯著富集,及nta-miR167d在葉片中高度富集,大多數(shù)靶標(biāo)編碼的轉(zhuǎn)錄因子都參與了細(xì)胞代謝過程。根尖和莖尖分生組織在植物組織和器官的發(fā)生中起著重要的作用。在‘南林895’楊樹(

        Populus

        )根尖和莖尖中鑒定到多個(gè)差異表達(dá)miRNAs,而且pei-miR160a負(fù)調(diào)控6個(gè)

        PeARFs

        ,5個(gè)lncRNAs和1個(gè)circRNA。Liu等研究進(jìn)一步得出楊樹miR160a負(fù)調(diào)控

        PeARF17.1

        PeARF17.2

        ,miR160a過表達(dá)植株不定根長(zhǎng)度顯著縮短,側(cè)根數(shù)量增加,

        PeARF17.1

        PeARF17.2

        過表達(dá)不定根數(shù)量顯著增加,表明miR160a-

        PeARF17.1

        /

        PeARF17.2

        參與了楊樹不定根發(fā)育的調(diào)控。不定根的形成是植物生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)過程。矮化蘋果(

        Malus

        x

        domestica

        Borkh.

        )砧木miRNAs及其靶基因參與了不定根生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(miR160和miR390)、應(yīng)激途徑(miR398、miR395和miR408)、細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)、增殖和擴(kuò)增途徑(miR171、miR156、miR166、miR319和miR396)。另外蘋果砧木在不定根形成階段,mdm-miR160負(fù)調(diào)控靶基因(

        MdARF16

        MdARF17

        ),在煙草中mdm-miR160a過表達(dá)會(huì)抑制不定根的形成,但外源1 mg/L IBA處理可促進(jìn)不定根的形成。

        2.3 miR164

        NAC(NAM、ATAF1/2和CUC2)是一類植物特異性轉(zhuǎn)錄因子家族,擬南芥miR164可以靶向5個(gè)NAC編碼mRNAs,miR164a和miR164b突變體導(dǎo)致

        NAC1

        表達(dá)量升高,并產(chǎn)生較多的側(cè)根,而且突變體表型可以通過miR164a和miR164b的過表達(dá)來(lái)補(bǔ)償,同時(shí)miR164在野生型中誘導(dǎo)表達(dá)導(dǎo)致

        NAC1

        表達(dá)水平下降,側(cè)根數(shù)量減少。玉米

        ZmNAC1

        過表達(dá)增加了側(cè)根的密度,與野生型擬南芥相比

        ZmNAC1

        過表達(dá)側(cè)根數(shù)量增加,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)miR164是引導(dǎo)內(nèi)源性

        ZmNAC

        1切割的反式因子,從而導(dǎo)致側(cè)根表型差異顯著。馬鈴薯(

        Solanum

        tuberosum

        )Stu-miR164在NAC轉(zhuǎn)錄因子CDS序列中存在一個(gè)互補(bǔ)序列,在對(duì)照和PEG(聚乙二醇)處理下Stu-miR164負(fù)調(diào)控靶基因

        StNAC262

        ,另外發(fā)現(xiàn)在PEG脅迫下Stu-miR164抑制

        StNAC262

        的表達(dá),導(dǎo)致側(cè)根數(shù)較少,但其側(cè)根長(zhǎng)度與對(duì)照相同。毛竹(

        Phyllostachys

        edulis

        )組織特異性表達(dá)分析表明miR164b和

        PeNAC1

        在根、莖、葉及葉鞘中均有表達(dá),其中miR164b在根中表達(dá)最高,在莖中表達(dá)最低;miR164b負(fù)調(diào)控靶基因

        PeNAC1

        。miR164作為植物特有的miRNA,家族成員高度保守。研究發(fā)現(xiàn)胡楊(

        Populus

        euphratica

        )miR164與其靶基因

        PeNAC070

        在NaCl、甘露醇和脫落酸(abscisic acid, ABA)脅迫下表達(dá)模式相反,在擬南芥中

        PeNAC070

        過表達(dá)促進(jìn)側(cè)根發(fā)育,抑制莖伸長(zhǎng)。生長(zhǎng)素信號(hào)參與了miRNA介導(dǎo)的根系調(diào)控,水稻突變體(

        osaxr

        )與野生型相比,突變體很多miRNA對(duì)生長(zhǎng)素的敏感性大大降低,其中miR164家族的表達(dá)水平在突變體中顯著上調(diào),在側(cè)根缺失表型中發(fā)揮調(diào)控作用。

        2.4 miR165/166和miR167

        植物miR165/166通過負(fù)調(diào)控HD-ZIP IIIs(同源異型域-亮氨酸拉鏈蛋白III類)發(fā)揮重要作用。擬南芥miR165/166過表達(dá)通過增強(qiáng)細(xì)胞分裂和分生組織活性促進(jìn)根伸長(zhǎng),而

        HD

        -

        ZIP

        IIIs

        過表達(dá)則抑制根伸長(zhǎng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)

        HD

        -

        ZIP

        IIIs

        介導(dǎo)的擬南芥根系發(fā)育既受植物激素的誘導(dǎo),又受miR165/166的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,而miR165/166又反過來(lái)受植物激素信號(hào)通路的調(diào)控。miR165/166還可以通過抑制

        HD

        -

        ZIP

        IIIs

        類轉(zhuǎn)錄因子PHB(PHABULOSA)的表達(dá),促進(jìn)木質(zhì)部分化,miR165以劑量依賴的方式調(diào)控?cái)M南芥根的分化。轉(zhuǎn)錄因子GRAS家族中的SHR(SHORT-ROOT)和SCR(SCARECROW)在根尖分生組織的形成過程中發(fā)揮重要作用,擬南芥SHR蛋白在維管束中合成,通過進(jìn)入內(nèi)皮層激活SCR,并共同激活miR165A和miR166B的轉(zhuǎn)錄。水稻

        HD

        -

        ZIP

        III

        可以被miR166的不同成員調(diào)控,miR166m在干旱脅迫下表達(dá)上調(diào),導(dǎo)致

        HD

        -

        ZIP

        III

        表達(dá)下調(diào),側(cè)根數(shù)量減少;而在淹水處理下,miR166g/h、miR166m和miR166a-d/f/h表達(dá)下調(diào),導(dǎo)致

        HD

        -

        ZIP

        III

        表達(dá)上調(diào),側(cè)根數(shù)量增加。蒺藜苜蓿miR166a過表達(dá)導(dǎo)致側(cè)根數(shù)量減少及轉(zhuǎn)基因植株根中維管束的異位發(fā)育,miR166a及其靶基因

        HD

        -

        ZIP

        III

        介導(dǎo)了蒺藜苜蓿根系結(jié)構(gòu)的調(diào)控。miR167在禾本科植物非生物應(yīng)激響應(yīng)中發(fā)揮著重要的功能。擬南芥

        IAR3

        (

        IAA-Ala

        resistance

        3

        )是miR167a新的靶基因,在滲透脅迫下,miR167a表達(dá)水平降低,

        IAR3

        表達(dá)水平升高,從而促進(jìn)IAA積累和側(cè)根生長(zhǎng)。Gifford等發(fā)現(xiàn)擬南芥miR167a可以通過響應(yīng)低氮脅迫調(diào)節(jié)側(cè)根生長(zhǎng),miR167a在低氮脅迫下表達(dá)上調(diào),導(dǎo)致靶基因

        ARF8

        表達(dá)下調(diào),從而抑制側(cè)根的生長(zhǎng),促進(jìn)主根的伸長(zhǎng)。小果咖啡(

        Coffea

        arabica

        )在氮饑餓脅迫處理下根組織miR167表達(dá)水平顯著上調(diào),而且參與了不同時(shí)間點(diǎn)脅迫響應(yīng)過程。miR167也參與了水稻生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,水稻懸浮培養(yǎng)細(xì)胞在外源生長(zhǎng)素處理下,調(diào)控網(wǎng)絡(luò)miR167→

        ARF8

        GH3

        是響應(yīng)外源生長(zhǎng)素的重要代謝途徑,參與了側(cè)根的形成。在林木中也有miR167功能的報(bào)道,楊樹嫩枝扦插生根過程中共檢測(cè)到373對(duì)miRNA-靶基因,miR167a及其靶基因

        PeARF6s

        PeARF8s

        介導(dǎo)了植物生長(zhǎng)和激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,miR167a過表達(dá)抑制靶基因,促進(jìn)側(cè)根發(fā)生;

        PeARF8.1

        過表達(dá)突變體增加不定根數(shù)量,抑制側(cè)根發(fā)育。

        2.5 miR172

        植物miR172及其靶基因

        AP2

        (

        APETALA2

        )在植物發(fā)育時(shí)序轉(zhuǎn)換、花器官發(fā)育和開花時(shí)間等方面發(fā)揮著重要的調(diào)控功能,目前發(fā)現(xiàn)miR172-

        AP2

        在豆科植物根瘤形成過程中同樣發(fā)揮著重要作用。大豆(

        Glycine

        max

        )miR172調(diào)控根瘤菌侵染和根瘤器官發(fā)生,miR172通過抑制其靶基因

        GmNNC1

        來(lái)調(diào)控根瘤的形成,

        GmNNC1

        編碼AP2轉(zhuǎn)錄因子,直接結(jié)合在早期結(jié)瘤因子基因

        ENOD40

        的啟動(dòng)子上,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)瘤數(shù)目的調(diào)控。菜豆(

        Phaseolus

        vulgaris

        )miR172c在根瘤菌侵染后表達(dá)水平逐漸上調(diào),

        AP2-1

        負(fù)調(diào)控靶基因miR172c,而且miR172c過表達(dá)增加了根系的生物量,誘導(dǎo)早期結(jié)瘤基因表達(dá)。木本植物的不定根發(fā)生是發(fā)育時(shí)序轉(zhuǎn)換過程中重要的特性,從巨桉(

        Eucalyptus

        grandis

        )幼年到成熟階段伴隨著生根能力逐漸喪失,大量的差異表達(dá)基因參與了這一過程。另外,巨桉在生根能力逐漸喪失過程中,miR172表達(dá)逐漸增加,miR156表達(dá)逐漸減少,但表達(dá)水平的高低與生根能力的喪失沒有顯著相關(guān)性。丹參(

        Salvia

        miltiorrhiza

        )miR156a和miR156b在根、莖和葉中的含量隨著丹參的生長(zhǎng)而降低,miR172a和miR172b水平則升高,推測(cè)miR172可能受miR156調(diào)控而與其共同參與根的發(fā)育過程。蕪菁(

        Brassica

        rapa

        )塊根是一種重要的營(yíng)養(yǎng)貯藏器官,在不同發(fā)育時(shí)期存在大量的差異表達(dá)miRNA,miR156a、miR157a和miR172a表達(dá)水平較高,在塊根起始和次生增厚過程中差異表達(dá),且負(fù)調(diào)控其靶基因。馬鈴薯(

        Solanum

        tuberosum

        )miR171_9和miR172_1在根中的表達(dá)量比莖、葉中高,預(yù)測(cè)的靶基因

        GRAS

        APETALA2

        在根、莖、葉和塊根發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。BAK1(BRI1-Associated Receptor Kinase 1)是一種富含亮氨酸的重復(fù)絲氨酸/蘇氨酸受體樣激酶(RR-RLK),參與油菜素內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物免疫和植物細(xì)胞死亡控制等多種發(fā)育途徑,擬南芥

        bak1

        突變體中miR172-D過表達(dá)促進(jìn)植株葉片伸長(zhǎng),幼苗根系和下胚軸生長(zhǎng)。

        2.6 miR390

        miR390與其他miRNAs不同,miR390的靶標(biāo)并不是mRNA,而是小干擾RNA(small interference RNAs, siRNA),siRNA通過剪切形成反式作用干擾小RNA(trans-acting siRNA, tasiRNA)。擬南芥miR390靶標(biāo)是

        TAS3

        (tasiRNA編碼的基因),miR390→

        TAS3

        ARF

        形成的生長(zhǎng)素響應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制側(cè)根的生長(zhǎng),miR390特異表達(dá)于側(cè)根起始位點(diǎn),并誘導(dǎo)

        TAS3

        的合成,進(jìn)而抑制

        ARF2

        、

        ARF3

        ARF4

        的表達(dá),從而釋放對(duì)側(cè)根生長(zhǎng)的抑制。另外Yoon等研究報(bào)道m(xù)iR390切割

        TAS3

        前體RNA形成TAS3-ARF,負(fù)調(diào)控

        ARF4

        參與了擬南芥?zhèn)雀陌l(fā)育。蒺藜苜蓿miR390過表達(dá)增加了側(cè)根的長(zhǎng)度和密度,而結(jié)瘤信號(hào)通路基因表達(dá)下調(diào),導(dǎo)致根瘤菌侵染和根瘤器官發(fā)生能力下降。胡楊miR390過表達(dá)促進(jìn)側(cè)根的生長(zhǎng)并增強(qiáng)了植株的耐鹽性,鹽脅迫下顯著抑制了

        ARF3.1

        、

        ARF3.2

        ARF4

        的表達(dá),miR390/

        TAS3

        /

        ARFs

        是通過生長(zhǎng)素信號(hào)途徑調(diào)控鹽脅迫下楊樹側(cè)根生長(zhǎng)發(fā)育。

        2.7 miR393

        生長(zhǎng)素信號(hào)通路關(guān)鍵基因

        TIR1

        AFB

        (

        AFB1

        AFB2

        AFB3

        )在擬南芥幼苗根系中發(fā)揮重要作用,并被miR393負(fù)調(diào)控。擬南芥在干旱脅迫下,miR393的靶基因

        TIR1

        AFB2

        表達(dá)上調(diào),可以補(bǔ)償ABA和滲透脅迫對(duì)根系生長(zhǎng)的抑制效應(yīng),促進(jìn)主根和側(cè)根伸長(zhǎng)。在硝酸鹽處理下,擬南芥miR393表達(dá)水平上調(diào),

        AFB3

        突變體主根和側(cè)根生長(zhǎng)都發(fā)生了改變,表明miR393/

        AFB3

        受硝酸鹽的誘導(dǎo)調(diào)控?cái)M南芥的根系結(jié)構(gòu)。擬南芥miR393的靶基因

        TIR1

        過表達(dá)增強(qiáng)了對(duì)生長(zhǎng)素處理的敏感性,并導(dǎo)致主根伸長(zhǎng)被抑制、側(cè)根的密度增加、葉片表型改變和開花延遲等,且

        TIR1

        會(huì)通過反饋途徑促進(jìn)miR393的表達(dá)。miR393介導(dǎo)的生長(zhǎng)素信號(hào)途徑在水稻根系發(fā)育中起著關(guān)鍵作用,水稻miR393a主要表達(dá)于根冠、側(cè)根原基以及胚芽鞘尖端,miR393b表達(dá)于莖尖分生組織,過表達(dá)miR393a/b導(dǎo)致旗葉傾斜度增大、主根和冠根生長(zhǎng)改變。miR393在水稻種子萌發(fā)和幼苗建成中也發(fā)揮調(diào)控作用,水稻種子萌發(fā)時(shí)miR393a促進(jìn)主根伸長(zhǎng),在淹水條件下miR393a的表達(dá)被抑制,進(jìn)而誘導(dǎo)

        OsTIR1

        OsAFB2

        表達(dá)上調(diào)。大麥中miR393靶向調(diào)控

        HvTIR1

        HvAFB

        基因,miR393的過表達(dá)減弱了外源萘乙酸(naphthalene acetic acid, NAA)對(duì)鋁脅迫下根系生長(zhǎng)抑制作用,導(dǎo)致生長(zhǎng)素應(yīng)答基因表達(dá)下調(diào),miR393/

        TIR1

        /

        AFB

        通過改變生長(zhǎng)素信號(hào)途徑調(diào)控根對(duì)鋁脅迫的敏感性。

        2.8 miR396

        生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子(Growth-Regulating Factor, GRF)是一種植物特異性轉(zhuǎn)錄因子,在植物根系生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮重要作用。擬南芥中miR396在根組織中表達(dá)模式與合胞體誘導(dǎo)/形成階段相一致,在根系發(fā)育中負(fù)調(diào)控靶基因

        GRF1

        GRF3

        。擬南芥miR396a靶向調(diào)控7個(gè)

        GRF

        bHLH74

        (

        Basic

        Helix-Loop-Helix

        74

        )基因,其中miR396a過表達(dá)導(dǎo)致根變短,

        bHLH

        74過表達(dá)促進(jìn)根伸長(zhǎng)。另外還發(fā)現(xiàn)擬南芥miR396通過與

        GRF

        相互作用,miR396過表達(dá)導(dǎo)致根尖細(xì)胞周期速率降低,根尖分生組織大小增加,表明其通過調(diào)控靶基因

        GRF

        的表達(dá)參與根的發(fā)育。蒺藜苜蓿miR396a和miR396b在根尖高表達(dá),并在側(cè)根和根瘤發(fā)生過程中表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式,miR396b過表達(dá)負(fù)調(diào)控

        GRF5

        bHLH79

        ,導(dǎo)致根尖分生組織的細(xì)胞周期基因表達(dá)水平降低和分裂細(xì)胞數(shù)量減少。蘋果miR396在側(cè)根和果實(shí)中的表達(dá)量顯著高于其他組織,其候選靶基因

        GRF1

        GRF2

        GRF5

        表達(dá)量則在花芽和腋芽中顯著高于其他組織;不定根發(fā)育過程中,miR396負(fù)調(diào)控候選靶基因

        MdGRF

        ,外源1 mg/L IBA處理可誘導(dǎo)miR396在不定根誘導(dǎo)期和根系生長(zhǎng)期表達(dá)上調(diào)。

        2.9 miR159、miR163和miR169

        植物組織生長(zhǎng)是一個(gè)基于細(xì)胞分化、增殖和伸長(zhǎng)的發(fā)育過程,根的生長(zhǎng)是由根尖分生組織的活性維持的。擬南芥miR159ab雙突變體比野生型的根尖分生組織體積更大,細(xì)胞數(shù)量更多,并形成更長(zhǎng)的主根,miR159負(fù)調(diào)控

        MYB33

        、

        MYB65

        MYB101

        基因,而且miR159表達(dá)水平下調(diào)會(huì)促進(jìn)擬南芥根尖分生組織的細(xì)胞分裂及初級(jí)根的生長(zhǎng)。擬南芥miR163在幼苗去黃化和種子萌發(fā)過程中受到光誘導(dǎo)調(diào)控,miR163及其靶基因

        PXMT1

        主要在胚根中表達(dá),與野生型相比,miR163突變體或

        PXMT1

        過表達(dá)株系在連續(xù)光照條件下種子萌發(fā)延遲,幼苗主根變短,側(cè)根數(shù)量增加,表明miR163靶向

        PXMT1

        促進(jìn)種子萌發(fā)和調(diào)控根系形態(tài)結(jié)構(gòu)。NF-Y(Nuclear factor Y, 核因子Y)是一種普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子,由3個(gè)不同的亞基(NF-YA、NF-YB和NF-YC)組成。擬南芥

        NFYA5

        在葉片、花和根維管組織中都有表達(dá),miR169通過ABA途徑靶向調(diào)控

        NFYA5

        基因,miR169a抑制

        NFYA5

        基因的表達(dá)比miR169c更有效。擬南芥miR169亞型及其

        NF-YA2

        靶基因控制根系形態(tài)結(jié)構(gòu),miR169亞型的特異性表達(dá)改變了根尖分生組織細(xì)胞數(shù)量和大小,抑制miR169對(duì)

        NF-YA2

        的調(diào)控會(huì)間接影響側(cè)根的發(fā)生。

        2.10 miR394、miR395、miR397、miR398和miR399

        miRNA參與植物營(yíng)養(yǎng)脅迫的響應(yīng),擬南芥miR394a的靶基因是

        ARF8

        F

        -

        box

        ,在缺鐵脅迫下通過生長(zhǎng)素信號(hào)途徑調(diào)控側(cè)根和根毛的生長(zhǎng)。小金海棠在缺鐵脅迫下,miR394a在根及葉片中表達(dá)均上調(diào),但表達(dá)模式有所不同,在根中響應(yīng)迅速而在葉片中響應(yīng)相對(duì)緩慢。油菜素內(nèi)酯(Brassinosteroid, BR)是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的植物內(nèi)源激素。擬南芥在10 nmol/L 2,4-EBR處理下miR395a在根組織中表達(dá)上調(diào),抑制

        GUN5

        的表達(dá)及其下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),通過抑制主根生長(zhǎng)和增加側(cè)根數(shù)量來(lái)調(diào)控幼苗萌發(fā)。miR395是擬南芥硫代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子,miR395在根和葉維管組織中均表達(dá),miR395的靶基因

        SULTR2

        ;

        1

        表達(dá)水平在根系硫酸鹽誘導(dǎo)過程中顯著升高,miR395參與了硫誘導(dǎo)下根尖的生長(zhǎng)發(fā)育。木質(zhì)素沉積在各種組織和細(xì)胞中,主要分布在次生細(xì)胞壁、薄壁組織和維管組織中。在水分虧缺下,擬南芥

        LAC2

        (

        LACCASE2

        )作為根維管組織中木質(zhì)素沉積的負(fù)調(diào)控因子,受到miR397b的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,miR397b表達(dá)下調(diào)誘導(dǎo)

        LAC2

        表達(dá)上調(diào),導(dǎo)致根長(zhǎng)增加,根維管組織中木質(zhì)素的含量降低;同樣磷酸鹽缺乏反過來(lái)會(huì)誘導(dǎo)miR397b和

        LAC2

        表達(dá),根伸長(zhǎng)區(qū)木質(zhì)素的沉積與

        LAC2

        的表達(dá)密切相關(guān),表明miR397b-

        LAC2

        在水分和磷酸鹽缺乏下調(diào)控根系木質(zhì)化的過程。各種逆境脅迫導(dǎo)致活性氧(ROS)的積累會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。miR398及其銅/鋅(Cu/Zn)超氧化物歧化酶(CSD1和CSD2)靶基因在根系中的表達(dá)模式說(shuō)明參與擬南芥根系發(fā)育,在100 μmol/L銅和鐵脅迫處理下miR398表達(dá)下調(diào),導(dǎo)致

        CSD1

        CSD2

        轉(zhuǎn)錄后積累,miR398對(duì)

        CSD2

        的抑制是植物應(yīng)對(duì)氧化脅迫響應(yīng)的有效途徑之一。植物通過改變根系結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)習(xí)性來(lái)適應(yīng)低磷環(huán)境,擬南芥根與芽之間存在一個(gè)復(fù)雜的磷酸鹽穩(wěn)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò),miR399-

        PHO2

        參與的磷酸鹽穩(wěn)態(tài)在擬南芥中已被鑒定。在高磷條件下,擬南芥miR399過表達(dá)株系的初級(jí)根系生長(zhǎng)的抑制被解除,恢復(fù)低磷脅迫下的生長(zhǎng)。miR399通過長(zhǎng)距離信號(hào)調(diào)控磷酸鹽穩(wěn)態(tài),油菜(

        Brassica

        napus

        )和南瓜(

        Cucurbita

        maxima

        )在磷酸鹽饑餓誘導(dǎo)下miR399在韌皮部中積累,并從莖運(yùn)輸?shù)礁型ㄟ^抑制其靶基因

        PHO2

        APS4

        的表達(dá)來(lái)控制磷的吸收,從而調(diào)控植物營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

        2.11 其他miRNA調(diào)控植物根系發(fā)生

        miRNA受植物激素誘導(dǎo)調(diào)控,擬南芥突變體miR846序列可直接切割

        AT5G28520

        基因,而

        AT5G28520

        表達(dá)受根中ABA誘導(dǎo)顯著上調(diào)。擬南芥miR847靶向

        IAA28

        的mRNA,在生長(zhǎng)素處理下,擬南芥miR847的快速積累與

        IAA28

        水平的降低相一致,miR847和

        IAA28

        均在蓮座葉邊緣分生組織和側(cè)根起始位點(diǎn)特異表達(dá),調(diào)控?cái)M南芥細(xì)胞增殖和側(cè)根生長(zhǎng)。玉米zma-miR159、ath-miR395-like、ptc-miR474-like和osa-miR528-like在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控根系的代謝、生理和形態(tài)建成,其預(yù)測(cè)靶基因參與碳水化合物和能量代謝過程。干旱和淹水脅迫條件下,miR408和miR528通過靶向調(diào)控氧化應(yīng)激反應(yīng)信號(hào)途徑相關(guān)基因,從而調(diào)控水稻和玉米的根冠形成、側(cè)根發(fā)育和根系伸長(zhǎng)。蘿卜(

        Raphanus

        sativus

        )塊根不同發(fā)育時(shí)期存在大量差異表達(dá)mRNAs和miRNAs,其中miR319候選靶基因

        RSG11844.t1

        ,

        RSG42419.t1

        RSG49768.t1

        參與了塊根的形成和發(fā)育。柑橘在400 μmol/L HBO脅迫下,miR319和miR171在根中表達(dá)量上調(diào),導(dǎo)致靶基因

        MYB

        SCARECROW

        下調(diào),引起根尖數(shù)量減少,從而顯著改變根系形態(tài)結(jié)構(gòu)。耐澇黃瓜根系(

        Cucumis

        sativus

        )在淹水處理下,miR396和miR167表達(dá)水平顯著高于正常處理,在線psRNATarget軟件鑒定到miR396有92個(gè)靶基因,miR167有50個(gè)靶基因。miRNA調(diào)控基因表達(dá)在植物代謝過程中起著重要的作用。荷花(

        Nelumbo

        nucifera

        )不定根形成密切相關(guān)的miRNAs達(dá)13個(gè),在已知miRNAs中,miR396b-5p的表達(dá)水平上調(diào)約12倍,其次是miR160a;在新發(fā)現(xiàn)的miRNA中,novel_miR_133表達(dá)水平上調(diào)約8倍。葡萄(

        Vitis

        vinifera

        )根域限制栽培(root restriction cultivation, RRC)的不定根和側(cè)根數(shù)量增加,根尖退化,miR156、miR166、miR2111-5p和miR3624-3p的靶基因參與根毛發(fā)育,miR164和miR482的靶基因影響側(cè)根和根冠發(fā)育,miR396的靶基因注釋到根系發(fā)育進(jìn)程,另外miR160家族的5個(gè)成員(miR160a、b、c、d和e,)都參與了葡萄根尖發(fā)育。Mica等研究還發(fā)現(xiàn)葡萄miR397a、miR398a 和 miR408 在根中的表達(dá)比葉和花序中均高100倍,相反miR164a、miR164b、miR171c和miR172c在根中表達(dá)較低。木本植物無(wú)性系繁殖效率取決于插穗基部的不定根形成,毛白楊(

        Populus

        tomentosa

        )miR476a超表達(dá)導(dǎo)致不定根發(fā)生時(shí)間提前,不定根數(shù)量顯著增多,靶基因

        RFL

        (

        Restorer

        of

        Fertility

        Like

        )能恢復(fù)miR476a超表達(dá)的根系表型,

        RFL

        編碼線粒體P類PPR蛋白,因此miR476a/

        RFL

        介導(dǎo)的線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控參與毛白楊不定根的形成,并依賴于生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

        3 總結(jié)與展望

        植物根系將植物固定在土壤中,通過根系吸收養(yǎng)分和水分。根系的生長(zhǎng)發(fā)育是一種復(fù)雜且高度有序的生物學(xué)過程,具有較高的表型可塑性。除植物激素、轉(zhuǎn)錄因子和環(huán)境因子等因素外,miRNA在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育方面發(fā)揮著重要的作用,參與了許多生物學(xué)過程。近年來(lái),miRNA在鑒定、靶標(biāo)預(yù)測(cè)、生物學(xué)功能和分子機(jī)制等方面取得了快速的進(jìn)展,在植物遺傳改良領(lǐng)域逐漸成為了新的研究方向。

        在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷史中,植物進(jìn)化出了復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)環(huán)境脅迫。植物miRNA及其靶基因調(diào)控根系生長(zhǎng)發(fā)育是目前的研究熱點(diǎn)。miRNA介導(dǎo)的根系發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜,許多miRNAs參與了多種信號(hào)通路。禾本科miRNA調(diào)控根系的研究及其功能分析較為深入和系統(tǒng),但木本植物由于其生長(zhǎng)周期長(zhǎng),基因組高度雜合及遺傳轉(zhuǎn)化體系不完善,目前miRNA功能分析還需要通過模式植物遺傳轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn),導(dǎo)致林木miRNA的相關(guān)研究比較滯后。此外,長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNA)和小干擾RNA等非編碼RNA對(duì)植物發(fā)育的調(diào)控也非常重要,miRNA與這些小RNA之間的相互作用也可能影響植物的發(fā)育。因此隨著生物學(xué)特性的全面解析和基因功能的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的需求,未來(lái)miRNA的研究方向需要更深入的拓展:1)對(duì)某種植物一類miRNA家族成員的功能表達(dá)和缺失分析的研究;2)miRNA與其他非編碼RNA的互作及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的探究;3)病毒誘導(dǎo)基因沉默(Virus-induced gene silencing, VIGS)與CRISPR/Cas9技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用于木本植物的根系生長(zhǎng)發(fā)育的功能解析。

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