植物逆境相關長鏈非編碼RNA的研究進展

鄭佳秋 吳永成 王薇薇 梅燚 祖艷俠 郭軍 劉云芬

摘要：植物長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一類廣泛存在的長度大于200 nt的非編碼RNA調控分子，通過目標模擬、轉錄干擾、甲基化等機制調控真核生物基因表達。植物體內的許多l(xiāng)ncRNA受外界脅迫的誘導或抑制，并作用于逆境相關基因，影響植物形態(tài)和生理生化進而產生對脅迫的應答。從植物lncRNA的合成、分子水平的作用方式、與植物生物和非生物脅迫逆境的響應機制等方面闡述了長鏈非編碼RNA參與調控植物的抗逆機制，并提出了今后的研究方向，以期為植物逆境應對及抗逆新品種選育提供理論依據(jù)。

關鍵詞：lncRNA;植物形態(tài);生物脅迫;非生物脅迫

中圖分類號： Q943.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0019-04

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一類非編碼的內源RNA分子，在植物中普遍轉錄，成熟的lncRNA長度大于200 nt[1-2]。在對小鼠的測序分析中首次被提出[3]。目前在擬南芥、玉米、水稻、小麥等植物中已鑒定了大量lncRNA[4-5]，隨著植物lncRNA數(shù)量的增加，相關的數(shù)據(jù)庫也增多，其中NONCODE數(shù)據(jù)庫中提供了大量的植物lncRNA的詳細信息[6]。相較于哺乳動物，植物lncRNAs方面的研究才剛剛起步，但已有研究發(fā)現(xiàn)，lncRNAs參與植物的生殖發(fā)育和環(huán)境脅迫響應。如低溫脅迫誘導反義轉錄本COOLAIR表達量的增加，增加的COOLAIR會抑制FLC基因的表達，進而參與擬南芥的春化過程[7-8]。在干旱和鹽分等逆境脅迫下擬南芥中的lncRNA表達量明顯改變，進一步證實lncRNAs參與了環(huán)境脅迫的應答[9]。本文通過總結國內外植物lncRNAs的相關研究進展，以期通過lncRNA的作用機制來探索蔬菜抗逆的研究思路，以期為抗逆新品種選育和改良提供理論指導。

1?lncRNA的合成與作用方式

1.1?lncRNA的合成

植物中l(wèi)ncRNAs主要由RNA聚合酶Ⅱ和聚合酶Ⅲ轉錄形成，還有一部分通過RNA聚合酶Ⅳ和聚合酶Ⅴ轉錄形成，主要定位在細胞核中[10]。大多數(shù)lncRNA具有5′帽子和3′poly（A）尾巴存在可變剪接位點[11-12]，因此可用轉錄組測序（RNA-seq）技術來大量篩選lncRNA。除了以上lncRNA合成經典模式外，lncRNA還可以通過以下途徑合成[13]：（1）在基因組中插入1個轉座原件或通過編碼蛋白基因插入1次框后與前一編碼序列合并可以產生有功能的lncRNA;（2）外顯子lncRNA可以在染色體重排后，由原來距離較遠的非轉錄片段串聯(lián)產生。目前這些非經典合成途徑在動物中報道的較多，但也不排除植物中也有類似途徑。然而，lncRNA選擇合成途徑的不同是否會導致與靶基因的協(xié)同表達模式的不同進而產生其他生物學意義還有待進一步研究。

1.2?lncRNA的作用方式

lncRNA廣泛存在于真核生物中，其作用機制與功能多種多樣。lncRNA可以作為誘餌分子結合miRNA，調控mRNA的表達;結合DNA發(fā)揮反式引導分子作用;也可以結合多個蛋白質發(fā)揮支架作用[14-15]。目前l(fā)ncRNA在分子水平的作用機制可歸納為以下4種方式：（1）lncRNA通過抑制RNA聚合酶Ⅱ[16]或者結合mRNA后與Dicer酶共同作用[17]以及在蛋白編碼基因上游區(qū)域進行轉錄等方式來影響基因的表達;（2）lncRNA可作為miRNA、siRNA等小RNA的生物合成前體;（3）通過影響mRNA產生不同的剪切形式來產生作用;（4）結合特定蛋白質調節(jié)其活性進而改變細胞質定位。

2?植物lncRNAs與逆境響應

植物在逆境下自身代謝、生理和生長會產生不同的變化進而來響應脅迫。植物lncRNAs在逆境脅迫中起調節(jié)因子的作用，通過模擬靶標、干擾轉錄和DNA甲基化等機制來影響基因表達。已有研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥在低氧[18]、光[19]、高溫[20]和低磷[21]的脅迫下，小麥在高溫[22]逆境下，狐尾草[23]、香蕉[24]、白楊[25]和玉米[26]在干旱脅迫下，毛地黃[27]和土豆[28]在低溫逆境以及苜蓿[29]在鹽脅迫下，均有l(wèi)ncRNAs參與脅迫響應，表明植物中的lncRNA廣泛參與非生物脅迫。在小麥感染白粉病和熱脅迫下也發(fā)現(xiàn)了125個lncRNAs[22]，說明植物lncRNAs在病原菌感染和脅迫中能夠作出應答。然而生物互作的存在導致致病機制不清晰，使得lncRNA響應生物脅迫和病菌的研究結果相對較少。

2.1?植物lncRNAs與非生物脅迫逆境

植物在非生物脅迫下會啟動一系列的信號通路來改變形態(tài)和生理生化。在逆境脅迫下，lncRNAs的表達可能比編碼蛋白質的mRNA更加活躍[30-31]。在干旱和鹽脅迫下，lncRNA表達量會迅速增加[31]，調節(jié)植物適應不同環(huán)境。lncRNA IPS1和AT4在磷脅迫下誘導表達，通過影響miRNA399的活性，來調節(jié)磷酸含量的動態(tài)平衡[32]。

擬南芥在干旱、低溫和鹽等脅迫處理后，有1 832 個lncRNAs的表達發(fā)生了明顯變化[9]。lncRNA-At5NC056820過表達轉入擬南芥中，轉基因植株能夠在一定程度上提高擬南芥的耐旱性[33]。通過高通量測序發(fā)現(xiàn)，苜蓿中存在大量的響應滲透、鹽脅迫的lncRNAs，它們與蛋白質編碼基因共同作用來調節(jié)逆境脅迫[34]?；谌蚪M在木薯中鑒定到了響應低溫和干旱脅迫的lncRNAs[35]。劉偉婳在野生蕉低溫脅迫過程中獲得了12 462條lncRNAs，同時發(fā)現(xiàn)在脅迫過程中l(wèi)ncRNAs對差異表達基因的調控起重要作用[36]。野生蕉lncRNAs與其靶基因之間存在復雜的調控關系，既有正調控，也有負調控。擬南芥中Npc536是一種天然反義轉錄物（NATs lncRNA），在干旱、鹽和冷害等脅迫環(huán)境中會產生一系列的變化，如鹽脅迫下過表達植株主根和側根生長明顯加快，在缺磷環(huán)境下，Npc536表達量會增加[37]。

2.2?植物lncRNAs與生物脅迫逆境

植物lncRNAs不僅廣泛參與非生物脅迫應答還參與生物脅迫的響應過程。高通量測序結果表明，植物體內大多數(shù)lncRNAs受到外界生物脅迫的誘導或抑制，如番茄中l(wèi)ncRNA16397可以通過減少活性氧的積累保護膜損傷進而來增強對疫霉病的抗性[38]?；谵D錄組數(shù)據(jù)分析土豆感病和抗病品種時發(fā)現(xiàn)，有559個長基因間非編碼RNA（lincRNAs）對軟腐病菌有響應[39]。已報道在甘藍型油菜[40]和擬南芥中[41]分別發(fā)現(xiàn)響應核盤菌菌核病和響應尖孢鐮刀菌的lncRNA。Wang等在獼猴桃研究中發(fā)現(xiàn)，lncRNAs可能會影響獼猴桃感染假單胞菌，推測在蛋白編碼區(qū)域和非編碼區(qū)域能夠調控獼猴桃對假單胞菌的感染[42]。在感染小麥條銹病的小麥中鑒定出4個lncRNAs（Tal-ncRNA18、Tal-ncRNA73、Tal-ncRNA106、Tal-ncRNA108），通過表達分析發(fā)現(xiàn)它們可能在調整或沉默蛋白編碼基因進入病原體防御反應中起作用[43];Zhang等通過沉默棉花中的GhlncNAT-ANX2和GhlncNAT-RLP7來增強植株對棉花黃萎病病菌和灰霉病病菌的抗性[44]。

3?結語與展望

隨著高通量測序技術的快速發(fā)展，越來越多植物中的lncRNAs正在被發(fā)現(xiàn)。目前，在草本植物如向日葵[45]、草莓[46]、白菜[47]、豆科類[48]、黃瓜[49]等，以及木本植物如茶[50]、葡萄[51]、毛白楊[52]等植物中都進行了大量的lncRNAs鑒定和表達分析。然而，目前的研究大多集中在lncRNAs的初歩鑒定和功能方面，其轉錄調節(jié)機制方面的研究還未見報到?，F(xiàn)已明確lncRNA具有保守性差、表達量低但組織特異性強的特點，如對茄科植物lncRNAs的序列分析發(fā)現(xiàn)，不同物種之間lncRNAs的序列保守性很低，如lncRNA-314在普通番茄和醋栗番茄中特異表達，而在潘那利番茄（Solanum pennellii）中則不表達[53]。在全基因組范圍內進行水稻lncRNA的鑒定和分析發(fā)現(xiàn)，這些lncRNAs與哺乳動物的lncRNAs相比具有很高的組織特異或階段特異表達性[5]?；谌蚪M進行黃瓜lincRNAs研究，lincRNAs和mRNAs之間的共表達分析表明它們參與應激響應和多個生物學過程，分子進化的研究發(fā)現(xiàn)，至少有16個lincRNAs受自然選擇作用，其中一部分受正選擇和平衡選擇作用[50]。由于lncRNAs表達水平低，為探索其在轉錄和轉錄后水平上的調控基因表達的作用機制可通過干擾lncRNAs的表達模式來進行[54-56]。

lncRNAs在動物中表現(xiàn)出的多種功能使研究者更加重視lncRNAs的研究。近年來植物lncRNAs的相關研究也逐漸加快，已證實植物lncRNAs參與植物成花轉變、花粉發(fā)育、逆境脅迫以及其他多個生物學過程，但與哺乳動物相比，研究者對lncRNAs參與植物生長發(fā)育全過程的轉錄調控和分子進化機制還知之甚少。通過梳理近年來研究過的植物lncRNAs發(fā)現(xiàn)，植物在結構、起源及分子功能上，都與動物具有一定的相似性，并逐漸顯示出一些其特有的規(guī)律性[57]。目前植物lncRNAs的研究空間還很大，因此關于lncRNAs參與調控逆境機制的研究今后可以從以下2個方面入手：（1）利用現(xiàn)代較為成熟的高通量測序技術，基于全基因組，從轉錄組水平進行植物抗逆相關的lncRNAs大規(guī)模挖掘;（2）利用生物信息學分析技術對已獲得的lncRNAs進行靴基因預測、與mRNAs的共表達分析及模擬miRNA內源偽靶基因的辨析，為深入的lncRNA功能性鑒定提供基礎。

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