植物MicroRNA研究進(jìn)展及其在植物與病原菌互作中的作用

耿銳梅，楊宏偉，曹長(zhǎng)代，馮全福，陳志強(qiáng)，羅成剛

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所 煙草遺傳改良與生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101;2.山東日照煙草有限公司，山東 日照 276500)

MicroRNA(miRNA)是由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70～90個(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)Dicer酶加工后生成的一種大小約21～23個(gè)堿基的單鏈小分子RNA，不同于siRNA(雙鏈)，但和 siRNA密切相關(guān)［1］。1993年 Lee等在線蟲體內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)miRNA，隨后多個(gè)研究小組在人類、果蠅、植物等多種生物物種中鑒別出數(shù)百個(gè) miRNA［2］，2002年在擬南芥(Arabidopsis thaliana)上鑒定了第1個(gè)植物miRNA。到目前為止，已經(jīng)有320種植物的miRNA家族、多達(dá)上千條植物miRNA在miRBase序列數(shù)據(jù)庫(kù)中登錄，然而超過(guò)半數(shù)miRNA來(lái)自擬南芥、楊樹(Populus)和水稻(Oriza sativa)。另外，通過(guò)各種計(jì)算機(jī)軟件或其他計(jì)算工具以及分子生物學(xué)手段已經(jīng)成功地預(yù)測(cè)和鑒定了大豆(Glycine max)、 玉 米(Zeamays)、 番 茄(Solanum lycopersicum)、棉花(Gossypium herbaceum)、柑橘(Citrus reticulata Blanco)、葡萄(Vitis vinifera)等多種植物 中已知 的 大多數(shù) miRNA［3－4］。據(jù) 推 測(cè)miRNA在高級(jí)真核生物體內(nèi)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用可能和轉(zhuǎn)錄因子一樣重要。miRNA可能代表在一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的層次上的基因表達(dá)調(diào)控方式［5］。

文章對(duì)植物miRNA的功能、分子進(jìn)化、調(diào)控機(jī)制以及在植物與病原菌互作中的作用進(jìn)行綜述，旨在闡釋植物miRNA在植物與病原菌互作與進(jìn)化中的重要作用，為抗病性機(jī)制研究提供理論基礎(chǔ)，從而為抗病性育種研究提供一定的研究線索與基礎(chǔ)。

1 植物MicroRNA的生物合成及分子進(jìn)化

miRNA基因首先在RNA聚合酶Ⅱ的作用下轉(zhuǎn)錄得到 miRNA前體(pri-miRNA)，由 HASTY(HST)蛋白負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)至核外，再經(jīng)類Dicer的DCL(Dicer-likeprotein)酶加工剪切為成熟miRNA分子。成熟的miRNA來(lái)源于發(fā)夾結(jié)構(gòu)的任意端臂，大多數(shù)miRNA位置上起源于5'臂，可能是由于 5'臂動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性引起［6－8］。

最初認(rèn)為，miRNA在所有植物物種間都是保守的，但隨后發(fā)現(xiàn)，擬南芥的一些miRNA在水稻中并不存在。Allen等提出了植物miRNA進(jìn)化模型，把miRNA分為“古老的”和“現(xiàn)代的”2類:“古老的”miRNA在植物分化為不同類群之前就已進(jìn)化完成，這類miRNA是保守的;而“現(xiàn)代的”miRNA則是在現(xiàn)有植物種群都出現(xiàn)后才開始進(jìn)化，是非保守的［9］。對(duì)于miRNA基因簇而言，它們?cè)诓煌锓N之間除了序列的保守性，還涉及比如基因排列的共線性(Synteny)、重復(fù)拷貝的數(shù)量等一些進(jìn)化問(wèn)題。植物基因組中的這2種重復(fù)機(jī)制也是miRNA基因簇和基因家族進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)力。由此，miRNA基因簇的形成不是隨機(jī)性的，而是在自然選擇過(guò)程中逐漸積累并得到固定的結(jié)果［10－12］。

2 植物MicroRNA的功能調(diào)控與作用機(jī)制

近年來(lái)的研究揭示了miRNA生物學(xué)功能的多樣性與重要性［13］。最為重要的功能是作為基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控因子，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)，調(diào)控生物體的正常發(fā)育。miRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控是生物體內(nèi)除了siRNA(small interference RNA)引起的RNA沉默之外的另一條小RNA(small RNA，sRNA)調(diào)控路徑。miRNA參與調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，例如miR396在葉子形態(tài)構(gòu)建中調(diào)控細(xì)胞的分裂和分化［14］，在調(diào)控開花時(shí)間的miRNA家族成員中:miR156主要調(diào)控植物生長(zhǎng)周期轉(zhuǎn)變;miR172通過(guò)調(diào)控AP2類基因，控制開花時(shí)間和花器官的形成［15］;miR159/miR319的過(guò)量表達(dá)均會(huì)引起一些花發(fā)育障礙如花期延遲［16］。miRNA在多種非生物與生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用:例如miR398是第1個(gè)被報(bào)道的受氧化脅迫負(fù)調(diào)控的miRNA，它通過(guò)負(fù)調(diào)控其靶基因 Cu/Zn過(guò)氧化物歧化酶(Cu/Zn-superoxide dismutase，CSD)的表達(dá)，在多種逆境脅迫響應(yīng)中扮演重要角色，如調(diào)節(jié)銅代謝平衡，應(yīng)答重金屬、蔗糖、臭氧等非生物脅迫，以及參與應(yīng)答生物脅迫等［17－18］。例如，miR393，miR159和miR164的表達(dá)就分別受到脫落酸、赤霉酸和生長(zhǎng)素的調(diào)控［19］。另外，由生物或非生物導(dǎo)致的植物葉片卷曲與miR166相關(guān)［20］。據(jù)推測(cè)miRNA在植物對(duì)不同N素條件的適應(yīng)中有重要作用［21］。除了在轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯水平上起作用外，miRNA還參與基因的甲基化和異源染色體形成繼而沉默目的基因。miRNA的存在，對(duì)生物正常發(fā)育的生理過(guò)程起著極為重要的調(diào)控作用［22］。

miRNA的功能及作用機(jī)制方面的研究是當(dāng)前生命科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一，miRNA主要機(jī)制是抑制靶基因的翻譯表達(dá)，并通過(guò)mRNA3'端脫腺苷酸化導(dǎo)致整個(gè) mRNA的降解［6］。對(duì) miRNA機(jī)制的研究，研究人員陸續(xù)提出了翻譯起始抑制、翻譯起始后抑制、mRNA降解、P小體(Processing Body)，SG(Stress Granules)顆粒扣押靶 mRNA等假說(shuō)模型，從而闡述miRNA如何抑制其靶基因的表達(dá)。最近還有文獻(xiàn)報(bào)道了一些全新的miRNA作用方式，如去抑制和 miRNA激活作用等。Sandberg他們發(fā)現(xiàn)，一些在增殖細(xì)胞中表達(dá)的mRNA 3'UTR保守性地縮短，導(dǎo)致miRNA的靶位點(diǎn)減少，從而產(chǎn)生了一種避免miRNA的負(fù)調(diào)控作用的一種逃避miRNA抑制的新方式［23］。

3 植物MicroRNA在植物與病原菌互作中的作用

miRNA不僅參與了植物器官的形態(tài)建成，還參與調(diào)控植物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)植物正常生長(zhǎng)發(fā)育起著極其重要的作用。miRNA介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控其獨(dú)特性還在于其靶基因的多樣性及其調(diào)控的反饋控制機(jī)制，如近來(lái)在植物中一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是2個(gè)在 miRNA途徑上起重要作用的基因 DCL1和AGO1，各自受到 miR162和miR168的負(fù)調(diào)控。不僅如此，miRNA還在植物的抗病反應(yīng)中發(fā)揮著非常重要和特殊的作用［22，24］。

越來(lái)越多的研究表明，miRNA是植物防御反應(yīng)和免疫應(yīng)答元件的組成部分，植物通過(guò)重組和微調(diào)miRNA的基因表達(dá)來(lái)應(yīng)對(duì)各種植物病原菌的誘導(dǎo)或是抑制作用。這種逆境誘導(dǎo)的基因沉默是通過(guò)miRNA的分裂/降解、或者是翻譯阻遏作用、或者是DNA甲基化或染色質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。在植物與病原菌互作中，病毒和細(xì)菌形成基因沉默抑制子(VSRs和BSRs)來(lái)抑制寄主植物的 RNAi機(jī)制及抗性。與此同時(shí)，為了達(dá)到與病原菌的協(xié)同進(jìn)化目的，寄主植物產(chǎn)生能識(shí)別基因沉默抑制子、誘導(dǎo)抗病性反應(yīng)的R蛋白。病毒編碼的沉默抑制子與宿主植物miRNA/siRNA介導(dǎo)的沉默途徑之間的相互作用，以及來(lái)源于病毒的小RNA參與植物的抗病反應(yīng)等，這些新的發(fā)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了人們對(duì)植物與病原菌之間相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)［25］。

高新生物技術(shù)如核酸高通量測(cè)序技術(shù)、深度測(cè)序技術(shù)與miRNA基因合成測(cè)序、基因芯片技術(shù)、生物信息學(xué)中miRNA基因及靶基因預(yù)測(cè)方法、基因發(fā)現(xiàn)和功能驗(yàn)證方法、表達(dá)序列標(biāo)簽分析等分子實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，使得越來(lái)越多的新的 miRNA、候選miRNA基因以及非保守miRNA相繼被發(fā)現(xiàn)［23，26-27］。期望新的 miRNA 及靶基因的發(fā)現(xiàn)有助于發(fā)現(xiàn)植物抗病信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的新元件，從而有助于更深入地理解植物免疫機(jī)制。期望越來(lái)越多的植物病原菌基因沉默抑制子的發(fā)現(xiàn)，有助于提高對(duì)植物病原菌與寄主互作和共進(jìn)化的理解，進(jìn)而為植物抗病性育種提供研究線索和理論基礎(chǔ)［25］。

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