植物MicroRNA對(duì)花發(fā)育調(diào)控研究進(jìn)展

陳罡

（遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)生物技術(shù)與分析測(cè)試中心，遼寧 沈陽(yáng) 110032）

植物MicroRNA對(duì)花發(fā)育調(diào)控研究進(jìn)展

陳罡

（遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)生物技術(shù)與分析測(cè)試中心，遼寧 沈陽(yáng) 110032）

植物M icroRNA是一種長(zhǎng)19～24個(gè)核苷酸的內(nèi)生性小RNA，在植物的發(fā)育過(guò)程中起著重要且獨(dú)特的調(diào)控作用。由于其在植物生長(zhǎng)發(fā)育、器官的形態(tài)建成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及對(duì)外界環(huán)境脅迫應(yīng)答等生物學(xué)過(guò)程中起到重要的調(diào)節(jié)作用，已成為基因功能研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。該文綜述了M icroRNA研究的發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了植物M icroRNA對(duì)花器官調(diào)控的作用機(jī)理及一些研究進(jìn)展。

植物M icroRNA；花發(fā)育；調(diào)控機(jī)制

在生物界廣泛存在著具有一定功能的非編碼小分子RNA。從最早在牽?；òl(fā)現(xiàn)的小分子干擾RNA（small interfering RNA,siRNA）至今，人們已經(jīng)在多種真核生物中發(fā)現(xiàn)上百種這種小分子RNA。M icroRNA是小分子RNA的一種，簡(jiǎn)稱(chēng)m iRNA，最早是由Lee等[1]在秀麗新小桿線蟲(chóng)基因組中發(fā)現(xiàn)的，植物M icroRNA是由Reinhart等[2]從擬南芥小RNA文庫(kù)中獲得的。由于最初發(fā)現(xiàn)M icroRNA時(shí)對(duì)其了解較少，沒(méi)有統(tǒng)一的命名規(guī)則，但隨著近年來(lái)對(duì)M icroRNA的深入了解，鑒定方法的不斷豐富，M icroRNA的報(bào)道數(shù)量越來(lái)越多，分類(lèi)越來(lái)越詳細(xì)，植物M icroRNA的發(fā)現(xiàn)也使人們對(duì)RNA調(diào)控基因表達(dá)的功能有了新的認(rèn)知。植物M icroRNA是基因表達(dá)中一類(lèi)負(fù)調(diào)控因子，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)過(guò)程及抵御環(huán)境脅迫等方面起非常重要的調(diào)控作用。

1 MicroRNA簡(jiǎn)介

m iRNA是一類(lèi)內(nèi)生性小RNA分子，它們是一些5'端帶磷酸基團(tuán)、3'端帶羥基的單鏈RNA分子[3-4]，經(jīng)過(guò)Dicer酶加工而生成的。因其5'端帶有的磷酸基團(tuán)多為尿嘧啶核苷酸，使得m iRNA能與大多數(shù)寡核苷酸和功能RNA的降解片段進(jìn)行區(qū)別。成熟的m iRNA需要經(jīng)過(guò)多個(gè)過(guò)程加工。最原始的是由m iRNA的編碼基因翻譯得到的pri-miRNA。在細(xì)胞核內(nèi)，pri-m iRNA經(jīng)過(guò)一次加工，得到prem iRNA，即m icroRNA前體，這個(gè)前體具有形成穩(wěn)定的發(fā)夾結(jié)構(gòu)的能力，之后pre-m iRNA運(yùn)出細(xì)胞核，在細(xì)胞質(zhì)中再經(jīng)過(guò)具有核酸酶Ⅲ功能的Dicer酶（動(dòng)物）或Dicer-like酶（植物）酶切后，就得到成熟的m iRNA[5]。成熟m iRNA通過(guò)與靶基因的3'-UTR區(qū)（非編碼區(qū)）互補(bǔ)配對(duì)，從而介導(dǎo)m iRNP（m iRNA蛋白質(zhì)）復(fù)合體對(duì)靶mRNA進(jìn)行翻譯抑制或者切割降解[6]。

研究表明，在絕大部分真核植物中都存在m iRNA，并且在結(jié)構(gòu)方面具有保守性、時(shí)序性、特異性和多態(tài)性[4，7]。其共同的特征有：①成熟的miRNA是長(zhǎng)度19～24堿基的單鏈核苷酸片段；②m iRNA本身具備不編碼蛋白質(zhì)的功能，但能夠與靶標(biāo)mRNAs部分互補(bǔ)配對(duì)從而干擾蛋白質(zhì)的合成；③miRNA是由前體雙鏈RNA（dsRNA）在PPD蛋白、DICER酶的共同作用下生成的；④大多數(shù)植物的m iRNA具有組織特異性表達(dá)和發(fā)育階段特異性表達(dá)的特點(diǎn)，同時(shí)還具有自我調(diào)控轉(zhuǎn)錄的機(jī)制。m iRNA在植物體中大量存在是有條件限制的，即在一定的組織器官中和特定的時(shí)間段的情況下m iRNA才會(huì)表達(dá)。

2 MicroRNA的調(diào)控機(jī)理

不同于以往人們對(duì)RNA轉(zhuǎn)錄信使的局限認(rèn)識(shí)，miRNA具有基因表達(dá)負(fù)調(diào)控作用。正是m iRNA這種基因表達(dá)負(fù)調(diào)控這一特性，才引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。而這一特性可以被廣泛應(yīng)用到基因功能研究、調(diào)控等科學(xué)研究中。研究表明，m iRNA主要通過(guò)降低靶分子的翻譯調(diào)節(jié)植物基因的表達(dá)，或者通過(guò)在轉(zhuǎn)錄后水平上通過(guò)介導(dǎo)mRNA靶分子的降解這兩個(gè)途徑來(lái)調(diào)控植物器官的形態(tài)建成、生長(zhǎng)發(fā)育、分泌激素與轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)以及植物對(duì)外界脅迫環(huán)境因素應(yīng)答的能力[3]。m iRNA在植物中的作用方式只有兩種，即剪切和抑制翻譯。這主要是由m iRNA與靶mRNA序列互補(bǔ)程度決定。當(dāng)m iRNA與靶mRNA的不完全互補(bǔ)配對(duì)，其占據(jù)原本mRNA的位置，從而阻抑了mRNA的翻譯過(guò)程，降低了mRNA的表達(dá)水平。這種途徑屬于翻譯水平基因調(diào)節(jié)，不影響mRNA的穩(wěn)定性，從根本上起到了基因表達(dá)負(fù)調(diào)控作用。另外一種途徑，m iRNA與靶mRNA序列可以近乎完全互補(bǔ)配對(duì)，進(jìn)而剪切mRNA，這種途徑屬于轉(zhuǎn)錄后水平基因調(diào)節(jié)，也可以達(dá)到基因表達(dá)負(fù)調(diào)控作用。大部分m iRNA只具備其中一種途徑，只有極少數(shù)同時(shí)兼?zhèn)溥@兩種途徑。植物體內(nèi)的m iRNA與靶mRNA的互補(bǔ)程度較高，因此其作用方式以剪切為主，近年來(lái)對(duì)擬南芥m iRNA加工途徑研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)也存在廣泛的抑制翻譯途徑，剪切機(jī)制與抑制機(jī)制大都協(xié)同進(jìn)行[8]。

3 MicroRNA對(duì)花發(fā)育的調(diào)控

花發(fā)育分為開(kāi)花誘導(dǎo)、花的起始和花器官發(fā)育3個(gè)階段，是由多種基因參與的十分復(fù)雜的調(diào)控過(guò)程，也是高等植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要事件。許多研究表明miRNA在花發(fā)育中起重要作用。

3.1 MicroRNA對(duì)花期時(shí)間的調(diào)控

miR156是植物生長(zhǎng)周期轉(zhuǎn)變的主要調(diào)控基因，SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE (SPL)家族成員是最早在金魚(yú)草Antirrhinum majus中鑒定出能夠與花器官分生組織特異基因SQUAMOSA的啟動(dòng)子結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子[9-10]。m iR156能夠直接抑制SPL家族成員的表達(dá)，從而控制了從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期到生殖生長(zhǎng)期的轉(zhuǎn)變[6]。m iR156的表達(dá)貫穿著整個(gè)幼年?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)階段，是植物幼年期至成年期轉(zhuǎn)化的重要分子，具有調(diào)控幼年期至成年期轉(zhuǎn)化的功能，在向成熟期轉(zhuǎn)變的過(guò)程中表達(dá)量減少。m iR156的靶基因SPL通過(guò)對(duì)一類(lèi)MADSbox基因的表達(dá)調(diào)節(jié)，控制了成年期到生殖生長(zhǎng)期的轉(zhuǎn)變[11]。m iR156的含量逐漸降低，靶基因SPL的含量則逐漸上升，當(dāng)靶基因的表達(dá)到達(dá)一定程度時(shí)，下游基因便開(kāi)始表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)植物開(kāi)花。研究表明[12-13]，m iR156是一條控制開(kāi)花的內(nèi)源性途徑，其調(diào)節(jié)是通過(guò)對(duì)m iR156的含量改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該途徑保證了植物在沒(méi)有外界誘導(dǎo)信號(hào)的情況下依然可以開(kāi)花結(jié)果。

m iR172與m iR156類(lèi)似，即都可以通過(guò)降解和抑制靶mRNA兩種方式發(fā)揮作用，控制開(kāi)花時(shí)間和花器官的形成[14]。擬南芥m iR172的靶基因包括轉(zhuǎn)錄因子APETALA2(AP2)、基因亞家族的SCHLAFMUTZE和SCHNARCHZAPFEN，二者均可編碼光周期的誘導(dǎo)抑制子，m iR172通過(guò)調(diào)節(jié)AP2類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子來(lái)控制植物開(kāi)花時(shí)間，影響花器官?zèng)Q定、花形態(tài)建成及植物發(fā)育[15]。擬南芥中m iR172過(guò)表達(dá)會(huì)促進(jìn)提前開(kāi)花，AP2類(lèi)基因過(guò)表達(dá)則使植物花期延遲。Glazinska等[16]對(duì)短日照植物大花牽牛研究表明，長(zhǎng)日照處理下，AP2類(lèi)基因的表達(dá)量增加使得m iR172的積累量降低，用生長(zhǎng)素、乙烯處理以及消除大花牽牛光誘導(dǎo)的暗期間斷處理中，AP2類(lèi)基因的表達(dá)量降低而m iR172的積累量增加；Grigorova等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AP2類(lèi)基因上的m iR172結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生突變后，擬南芥花器官的發(fā)育會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，AP2基因的下調(diào)會(huì)使m iR172在輪內(nèi)花器官中表達(dá)[17]。這些研究均可證明m iR172和AP2類(lèi)基因在開(kāi)花時(shí)間的調(diào)控中起著重要的作用。此外，在m iRNA調(diào)控植物生長(zhǎng)周期中，miR156和m iR172相互作用。m iR156抑制SPL家族表達(dá)，而部分SPL則促進(jìn)m iR172表達(dá)。

m iR159和m iR319也是植物花期發(fā)育過(guò)程中有調(diào)節(jié)功能的一類(lèi)M icroRNA家族，它們的過(guò)量表達(dá)均會(huì)引起花發(fā)育障礙，如花期延期[18]，它們?cè)谥参锇l(fā)育中均起著重要調(diào)節(jié)作用。m iR159和miR319相關(guān)的靶基因分別為MYB和TCP轉(zhuǎn)錄因子家族，通過(guò)對(duì)m iR159和m iR319序列的同源性研究表明，二者在堿基序列上存在很大的相似性，但兩個(gè)m iRNA不能互相交叉調(diào)節(jié)。研究表明過(guò)表達(dá)m iR159可在短日條件下推遲開(kāi)花，而過(guò)表達(dá)m iR319可在長(zhǎng)日條件下延遲開(kāi)花，表明兩種m iRNA具有不同的調(diào)節(jié)方式。此外，赤霉素能夠促進(jìn)m iR159的表達(dá)[19]。

3.2 MicroRNA對(duì)花器官形態(tài)建成的調(diào)控

已有研究表明，過(guò)量表達(dá)的m iR172能夠抑制AP2基因、AP2-like基因（如TOE1）的表達(dá)，從而導(dǎo)致植物提前開(kāi)花并影響了花器官的形態(tài)建成。m iR172過(guò)量表達(dá)也會(huì)造成類(lèi)似AP2缺失突變的花型，如心皮螺旋狀卷曲等表型[20]。Zhu等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，miR172的過(guò)量表達(dá)可以引起水稻小穗缺失、花器官發(fā)育畸形、可育性降低等。

miR159對(duì)花粉囊發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子MYB33和MYB65的表達(dá)具有負(fù)調(diào)控作用，從而影響花粉囊形態(tài)；m iR164能通過(guò)調(diào)節(jié)具有NAC功能域的轉(zhuǎn)錄因子基因家族中CUC1和CUC2的積累量來(lái)調(diào)控植物的花瓣數(shù)以及花器官邊緣細(xì)胞與頂端分生組織細(xì)胞分化。同時(shí)，m iR164過(guò)量表達(dá)導(dǎo)致萼片融合以及花瓣數(shù)減少[22]，暗示了m iR164與花分生組織的活動(dòng)以及分生組織區(qū)域的特異性邊界劃分有關(guān)[23]。

miR165/166也對(duì)花的形態(tài)建成具有調(diào)控作用[24]。miR165/166在分生組織活動(dòng)調(diào)控方面與花器官中分生組織的形成密切相關(guān)[25]。在m iR165/166過(guò)表達(dá)的突變體中，花結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。如在men1和jba-1D突變體中m iR166被過(guò)量產(chǎn)生，men1和jba-1D突變體的雌蕊群很小，心皮的數(shù)量也減少。此外，miR165/166及其轉(zhuǎn)錄因子SHR和SCR介導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)木質(zhì)部的形態(tài)建成。m iR319家族的過(guò)表達(dá)均會(huì)引起與m iR159過(guò)表達(dá)相似的雄蕊敗育現(xiàn)象[26]。miR396表達(dá)量的顯著增加可導(dǎo)致植株的花柱頭彎曲，可見(jiàn)，m iR396也參與了花發(fā)育的調(diào)控。3.3 MicroRNA對(duì)其他花發(fā)育過(guò)程的調(diào)控

Chuck等[27]的實(shí)驗(yàn)表明，M icroRNA的靶向SBP-box轉(zhuǎn)錄因子tasselsheath4（tsh4）對(duì)玉米苞葉的發(fā)育及花序內(nèi)分生組織邊界的建立起重要的作用。miR164不僅調(diào)控花器官邊界的形成，在側(cè)向器官的延伸、分離及器官邊界的形成等方面也起著重要的作用。研究表明，m iR167過(guò)量產(chǎn)生，能夠降低胚珠的成熟度[28]。m iR167的靶基因ARF在雌蕊和雄蕊群的發(fā)育及成熟度的調(diào)控中起著重要作用[29]。miR167還調(diào)控?cái)M南芥雌雄花的能育性[30]。

4 展 望

M icroRNA的研究為植物生物學(xué)提供了一種新的研究途徑，為人們了解和認(rèn)識(shí)植物基因和基因表達(dá)調(diào)節(jié)的本質(zhì)提供了全新的視角。近年來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，M icroRNA已全面進(jìn)入植物基因組研究及生理功能研究，也使人們的研究不再僅僅局限于基因和蛋白質(zhì)，對(duì)植物M icroRNA調(diào)控基因的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)有了一定的認(rèn)識(shí)，大大推進(jìn)植物生物學(xué)研究的發(fā)展。但目前仍然存在許多問(wèn)題有待解決，如M icroRNA與基因的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步詳細(xì)了解，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)M icroRNA中的許多具體作用機(jī)理也需進(jìn)一步驗(yàn)證，M icroRNA的生物學(xué)功能還需要進(jìn)一步解析。從目前已有報(bào)道來(lái)看，植物M icroRNA研究還主要集中在擬南芥、水稻、玉米、大豆等模式植物上；在木本植物中，楊樹(shù)、落葉松、文冠果、蒙古沙冬青以及果樹(shù)等有部分報(bào)道，而在其他植物中研究還較少，獲取途徑也僅限于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)分離和生物信息學(xué)預(yù)測(cè)。為更好地了解和深入研究植物M icroRNA的功能與作用機(jī)制，應(yīng)拓寬其功能研究領(lǐng)域，廣泛選用植物材料。此外，目前M icroRNA的功能研究主要集中在其對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控、環(huán)境脅迫應(yīng)答等領(lǐng)域，而對(duì)其在植物體內(nèi)代謝途徑的調(diào)節(jié)研究相對(duì)較少。M icroRNA的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)信號(hào)十分復(fù)雜，相信隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，以上問(wèn)題會(huì)逐一解決，M icroRNA將會(huì)更廣泛地運(yùn)用于植物學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。

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（責(zé)任編輯：張素清）

Q522

A

1001-1714（2017）02-0055-04

2017-02-16

陳罡（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事林木生物技術(shù)研究。E-mail：chengang1625@163.com。