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

劉立盤(pán) 涂圣勇 楊愛(ài)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(guò)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(guò)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(chóng)(

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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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

和

SPL10

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

SPLs

抑制主根的伸長(zhǎng)，miR156通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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

和

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(guò)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(guò)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(shù)。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(guò)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(guò)靶向

ARF17

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

ARF10

和

ARF16

，從而控制根冠細(xì)胞的形成；miR160過(guò)表達(dá)與

arf10-2

和

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

和

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

和

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(guò)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(guò)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(guò)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(shù)(

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(shù)miR160a負(fù)調(diào)控

PeARF17.1

和

PeARF17.2

，miR160a過(guò)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

或

PeARF17.2

過(guò)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(shù)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(guò)程。矮化蘋(píng)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(píng)果砧木在不定根形成階段，mdm-miR160負(fù)調(diào)控靶基因(

MdARF16

和

MdARF17

)，在煙草中mdm-miR160a過(guò)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(guò)miR164a和miR164b的過(guò)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(guò)表達(dá)增加了側(cè)根的密度，與野生型擬南芥相比

ZmNAC1

過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)表達(dá)通過(guò)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(guò)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(guò)來(lái)受植物激素信號(hào)通路的調(diào)控。miR165/166還可以通過(guò)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(guò)程中發(fā)揮重要作用，擬南芥SHR蛋白在維管束中合成，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shù)嫩枝扦插生根過(guò)程中共檢測(cè)到373對(duì)miRNA-靶基因，miR167a及其靶基因

PeARF6s

和

PeARF8s

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

PeARF8.1

過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程。另外，巨桉在生根能力逐漸喪失過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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

和

APETALA2

在根、莖、葉和塊根發(fā)育過(guò)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(guò)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(guò)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

和

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(guò)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(guò)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

和

ARF4

的表達(dá)，miR390/

TAS3

/

ARFs

是通過(guò)生長(zhǎng)素信號(hào)途徑調(diào)控鹽脅迫下楊樹(shù)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

和

AFB

(

AFB1

、

AFB2

和

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

和

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(guò)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(kāi)花延遲等，且

TIR1

會(huì)通過(guò)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(guò)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

和

OsAFB2

表達(dá)上調(diào)。大麥中miR393靶向調(diào)控

HvTIR1

和

HvAFB

基因，miR393的過(guò)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(guò)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

和

GRF3

。擬南芥miR396a靶向調(diào)控7個(gè)

GRF

和

bHLH74

(

Basic

Helix-Loop-Helix

74

)基因，其中miR396a過(guò)表達(dá)導(dǎo)致根變短，

bHLH

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

GRF

相互作用，miR396過(guò)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(guò)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(guò)程中表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式，miR396b過(guò)表達(dá)負(fù)調(diào)控

GRF5

和

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(píng)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

和

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(guò)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(guò)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

和

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(guò)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(guò)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(guò)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

和

F

-

box

，在缺鐵脅迫下通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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

和

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(guò)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(guò)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(guò)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^(guò)抑制其靶基因

PHO2

和

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(guò)程。干旱和淹水脅迫條件下，miR408和miR528通過(guò)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

和

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

和

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。