miRNA參與植物耐逆性調控的研究進展

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，并受逆境脅迫的調控。對植物中miRNA在脅迫應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。

關鍵詞 逆境脅迫；miRNA；植物；調控

中圖分類號 S184 文獻標識碼 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力的重要因素。然而，植物可通過自身防御系統應對不利的環境條件，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的內源非編碼RNAs，可在轉錄后水平上調控其靶基因的表達。miRNAs在近些年的植物研究中受到高度關注。通過克隆、測序和生物信息學等方法在擬南芥、水稻、玉米、小麥、玉米等植物中均發現了不同數量和類型的miRNAs。越來越多的證據表明，miRNA不僅能調控植物的生長發育，而且在應答鹽、干旱、溫度和營養脅迫等非生物脅迫和病菌等生物脅迫的過程中有重要調控作用。對植物miRNAs在脅迫應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的基本特征和調控機制

microRNA（miRNA）是內源性的大小為20～25個堿基的單鏈非編碼RNAs，廣泛存在于真核生物中。miRNAs來源于能形成穩定二級結構的非編碼轉錄物，在真核生物中約占基因數量的1%[1]。大多miRNAs為不編碼蛋白質的獨立轉錄單元，成熟miRNA 5端有磷酸基團，3端為羥基； miRNA由具有發夾結構（hairpin）的RNA前體經過Dicer酶加工后形成。多數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為調控轉錄因子或其他靶標的轉錄后負調節因子。植物miRNA通過：①轉錄后裂解mRNA 或翻譯后抑制負向調節互補靶基因的表達[2-3]；②對靶DNA甲基化進行轉錄水平上的調控[3-4]。miRNAs能選擇性調節特異靶基因的表達水平實現其功能[5-6]。大多數miRNAs在植物種間是保守的，因此它們可能調節相似的靶標。miRNAs靶標與廣泛的代謝和生理過程有關[5-7]，保守miRNAs靶標通常為MYB、NAC1 和HD-ZIP轉錄因子，涉及植物發育和器官的形成，而且這些靶標蛋白中的很多為脅迫反應因子[5-8]。研究表明miRNAs作為靶蛋白的負調節因子，大多靶向轉錄因子等調控蛋白，處于植物基因表達調控的中心位置[1]。

2 miRNA參與鹽、干旱、溫度脅迫的調控

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，其靶基因LACs 和CKB3表達水平下降，過量表達miR397的轉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[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[10]，并特異性地剪接NFYA基因轉錄本，只有OsamiR169g受干旱脅迫的誘導[11]。在鹽脅迫條件下，OsamiR396c通過ABA依賴的方式降低其表達，其過量表達導致植株耐鹽性降低[12]。高通量測序和生物信息學分析從水稻花序中鑒定了10個與鹽脅迫相關的miRNAs[13]。另外，干旱和鹽脅迫誘導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[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可能具有共同的調控機制，例如鹽脅迫下擬南芥和水稻中miR393均被上調[5，17]。

2.2 miRNA與干旱脅迫

干旱是世界大部分地區經常反復出現的氣候特征，全球很多地方的農業產量均受干旱的嚴重影響[18]。

不同耐旱性水稻品種中，miR164、 miR396、 miR812和miR1881在水稻發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，說明miR159受脅迫和激素信號的交叉調控[20]。miRNA芯片分析發現，干旱脅迫下小麥的葉和根中分別有207和115個miRNAs表現上調，78和129個miRNAs表現下調；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；調控網絡分析發現，miR395與大量的靶標相關聯，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及其靶標的表達模式均發生了改變[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據資料[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現，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，而miR394 和 miR171的表達下調；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，miR157的表達下調。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，它們各自的靶基因線粒體細胞色素C氧化酶5b亞基COX5b和質體藍素則是明確下調[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[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轉錄因子（At1g27340）的表達量，提高了轉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，并受干旱脅迫的調節，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[7，27]。另外，擬南芥中miR393也受到低溫脅迫的誘導[17]。水稻中miR1425受冷脅迫上調，通過調控PPR蛋白正向影響花粉粒的數目、上調花粉的產量[5]。

在高溫脅迫下，耐熱小麥品系TAM107中miR172表達下調，而miR156、miR159、miR160、miR166、miR168、miR169、miR827和 miR2005的表達上調[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；另外，大麥miR160a 和 miR5175a內含子剪接也受熱誘導，表明大麥中熱應答miRNAs表達在轉錄和轉錄后水平上受調控，同時miRNAs的誘導表達與試驗鑒定的靶基因表達下調相關聯[29]。另外，研究發現熱脅迫可誘導miRNAs的剪接，在大麥中大量存在miR160a 和miR5175a的剪接異構體，其含有miRNA發夾結構但缺少內含子[29]。熱脅迫下大麥中這種剪接異構體會出現積累，而對照植物中pri-miRNA具有低水平的剪接，說明pri-miRNA的結構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參與植物營養脅迫的應答調控

研究發現，植物一些miRNAs可對特定營養缺乏進行應答，以調控植物對營養脅迫的適應。目前，已在多種植物中發現磷缺乏誘導399，硫缺乏誘導395，銅缺乏誘導398、397和408的表達[32-33]。

3.1 miRNA與氮協迫

氮元素是植物生長必需的礦質營養。Zhao等[34]研究發現miR169參與植物氮素代謝的調控。在氮素缺乏時，擬南芥miR169 強烈下調，而其靶標NFYA家族成員被強烈誘導；通過對擬南芥miR169 前體的表達分析，發現氮素缺乏時其根和莖中 miR169a 均大幅度下調。同時，組成型過量表達miR169a的轉基因擬南芥中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有助于植物應對土壤氮素脅迫的波動。

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

小麥的種子發育和產量對氮素營養高度依賴。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。研究還發現，Svevo對氮素缺乏的反應更為明顯，預測大量靶基因與氮代謝相關；定量PCR對特定小麥品種和組織中miRNAs及靶標miR399b/PHO2、 miR393c/AFB2和ttunovel61/CCAATTF進行表達分析，發現兩者呈完全的負相關。在小麥Svevo和 Ciccio品種的幾乎所有組織中，ttunovel61下調，而它的靶標CCAATTF上調，而且CCAATTF 在預期的位點上被ttunovel61裂解。miRNAs對氮脅迫的應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[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磷穩定中具重要作用。

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，導致其靶基因泛素結合酶UBC24活性的抑制進而調節無機磷的均衡，以適應環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表達的調控對于磷的均衡是關鍵的[32]。擬南芥基因組編碼的6個miR399均受低磷脅迫的誘導，而UBC表達的下調對主根的延長、磷高親和力轉運子（如AtPT1）的表達從而維持植物體內磷的穩定至關重要[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突變體中磷應答基因表達上調，說明miR399 和PHO2在磷信號調控網絡PHR1的下游[37]。

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