miRNA调控植物花芽分化的研究进展

孙冷雪　潘腾飞　潘东明

摘要

综述了miR156、miR172、miR159/319等microRNA家族在花芽分化调控中的研究进展，并展望了microRNA在果树花芽分化过程中的研究前景。

关键词 花芽分化；果树；miRNA

中图分类号S188文献标识码A文章编号0517-6611（2014）28-09682-02

Research Advances on Regulation of MicroRNAs on Floral Bud Differentiation

SUN Lengxue， PAN Tengfei， PAN Dongming*

（College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002）

AbstractResearch advances of miR156， miR172， miR159/319， miR390 in the regulation of flower bud differentiation were reviewed， the research prospect of microRNA in the process of fruit tree flower bud differentiation was forecasted.

Key wordsFloral bud differentiation； Fruit trees； miRNA

植物的一生经历数个发育阶段，分别表现不同的形态特征，分化出新的器官[1]。被子植物中，其中一个重要的发育转变是从营养生长转变为生殖生长，在此期间花芽分化，花器官形成。对于果树而言，在此转变之前往往要经历一段相当时间的童期。植物在恰当的时间完成花芽分化，才能赶在适宜的时间进行受精，形成种子，果树才能及时开花和坐果[2-3]，因此花芽分化对于一个物种的繁殖至关重要，对果实的产量同样具有深远意义。

早在 20世纪初，研究者提出植物开花的碳氮比理论，认为决定植物能否开花的因素是植物体内碳氮比，该学说一直是解释果树花芽分化的基本理论[4]。近年来，大量研究表明，外界环境因素与内源激素影响下，果树花芽分化相关基因互相作用，形成了一系列有规律的调节途径。众多调节途径彼此交叉、相互作用，形成一个复杂的基因网络。在茎尖分生组织中，这个基因网络整合所有环境条件和内部因子，以控制一系列开花相关基因的表达[5]。最近研究表明，这些开花相关基因的表达，除受环境因子和内源激素的调控外，microRNA（miRNA） 的非编码小分子 RNA 对这些基因的表达也具有深远的影响。笔者总结了miR156、miR172、 miR159/319等microRNA家族在花芽分化调控中的研究进展，并展望了miRNA技术在调控果树花芽分化上的应用。

1microRNA在植物花芽分化中的作用

miRNAs是一类18～24 nt 的非编码RNAs，近年来被认为是真核生物基因表达的主要调节物质。1993年，首次在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中发现miRNA[5]。到2001年，miRNA已经被证实广泛存在于动物界[5-6]。此后，植物界中也发现了大量的miRNA家族[7-8]。一个miRNA可以有多个靶基因，从几个到几十个不等[9-10]。研究表明，参与花期调控最主要的miRNAs是miR156 和 miR172 2个家族。另外，miR159、miR319、miR390 和 miR399 家族在花期调控中也起着一定的作用。

1.1miR156家族在花期调控中的作用

在拟南芥中，miR156家族在转录后水平上调控SPL家族的表达[11-12]，从而影响植物的花芽分化。miR156的靶基因家族中，其中SPL3能够激活成花途径整合器基因LFY、FUL和AP1的表达，从而诱导成花；而具有miR156抗性的SPL3突变体，由于缺乏miR156的识别元件而对miR156的沉默机制不敏感，因此不会被miR156所抑制，从而出现早花表现型[2，13-14]。另外， SPL9和SPL15共同诱导miR172的表达[15-16]，从而间接促进开花。

miR156在早期幼苗中的表达量最高，随植物生长其表达量逐渐降低，SPL表达量上升。将花椰菜花叶病毒35S 启动子基因导入拟南芥中，转基因株系miR156过表达，出现晚花表型[2]。然而，应用靶基因模拟法隔绝有效miR156的活动，却引起早花突变[14]。这表明，早期幼苗中高水平的miR156抑制成花，以保證幼年期必要的营养生长[2]，随植物年龄增长其表达量逐渐下降，解除对成花的抑制。

然而，参与调控miR156水平的上游因子目前大部分还不为所知。对春化途径、光周期途径和赤霉素途径的遗传研究发现，它们对miR156的表达水平没有或只有很小影响。最近研究发现，植物的营养状况与miR156的水平有密切联系，随植物的生长递增的养分含量作为代理信号，直接调控miR156的水平[16-18]。从幼年期到成时期，糖类随植物光合能力增强而积累，其积累会降低miR156的表达，反过来糖类的脱除导致miR156表达量的上升，进而降低SPL水平。

1.2 miR172家族在花期调控中的作用

miR172 家族，在 miR156 家族的下游参与植物的花期调控，与 miR156 家族的作用相反[17]。miR156的靶基因SPL9和SPL10上调miR172b的表达。WU等[14]通过染色质免疫沉淀技术以及构建SPL9过表达的转基因株系中miR172表达量上升，验证了此观点[16]。早期幼苗中，miR172受miR156的间接调控表达水平较低[16]。随植物生长，miR172的表达增强，伴随着AP2和TOE基因活性降低，从而减轻对开花的抑制[19-20]。

拟南芥中，miR172调控6个具有miR172结合位点的AP2成花抑制因子基因AP2、TOE1、TOE2、TOE3、SMZ和SNZ[3，20-21]。AP2家族基因表现高度功能冗余，其中任何一个基因组成型表达都会出现晚花表型，而miR172过表达或TOE1基因功能缺失突变体均呈现早花表现型[22-23]。由此可知，miR172的过表达导致AP2型蛋白水平降低。AP2的活动反过来对miR156和miR172分别具有上调和下调作用[2，24]。它们之间互相作用，形成一个反馈圈，调控植物的生殖生长[17]。miR172的过表达还会引起FT基因以及花分生组织特征决定基因LFY和AP1表达上升。相反，研究证明SMZ和TOE1基因降低FT基因的表达量[17，25-26]。

miR172不仅由SPL基因调控，光周期和环境温度途径同样对其具有一定的调控作用[21，27]。因此它可以作为这些开花途径的中心整合器。光周期途径和生物鐘基因GI与CO共同上调miR172的表达[3]。在gi突变体中，成熟miR172水平下降，然而其初级转录物的水平实际有所上升，表明GI影响miR172的加工[3]。在环境温度途径中，低温条件下高水平的开花抑制因子SVP和RNA结合蛋白FCA抑制miR172的表达[17，27]。

1.3miR159家族和miR319 家族在花芽分化中的作用

miR159与miR319序列高度相似，靶基因分别是MYB和TCP转录因子，两者具有一定的功能冗余[28]。

miR159 家族在花期调控中的作用一直存在争议[29-30]。拟南芥中，GA通过提高miR159 的表达水平，高水平的miR159促进GAMYB转录因子，从而诱导LFY基因的转录，启动开花[31]。与此相矛盾的是，其中一个GAMYB转录因子MYB33可能具有反馈调节 miR159表达的功能，因此推测，miR159可能作为GAMYB转录因子表达的自我平衡调控因子[3]。

miR319家族作用于TCP基因[30，32]。研究者首次在jaw-D突变体的微阵列试验中发现了TCP的作用以及miR319对它的调控作用。TCP转录因子对植物生长的多个方面都有影响，其中包括花、叶片和配子体的发育。此外，TCP转录因子也是植物生物钟的主要调控因子，与生物钟的的核心组件相互作用，miR319过表达的拟南芥突变体在长日照条件下显示迟花表现型，因此miR319通过作用于植物开花的光周期途径，进而调控植物的花芽分化[33]。

1.4miR390家族在花期调控中的作用

miR390 家族在植物发育的多个时期都起一定作用，包括叶片的形态发生、侧根的生长以及间接调控花期[30]。miR390不同于其他miRNA，它主要通过激活另一种小RNA——tasiRNA的表达，而间接作用于ARF3和ARF4转录因子[34]。ARF3和ARF4的活动促进幼年期到成年期的转变，miR390通过抑制ARF3和ARF4转录因子来延长幼年期，从而推迟开花[30，33]。因此认为，miR390能够抑制植物花芽分化。拟南芥的RNA聚合酶基因、DCL4基因和AGO7基因的功能缺失突变体中，miR390不能正常合成，都表现提前进入成年期，并产生成年态叶片，这一结果论证了上述观点[30，35]。

1.5miR399家族在花期调控中的作用

miR399是典型的既参与非生物逆境胁迫又参与花期调控的miRNA[36]。最新研究发现，环境温度影响miR399的积累，生长于较高温度环境下植物体内miR399的含量更加丰富[28]。KIM等[37]发现，miR399过表达的突变体植株，若生长于环境温度23 ℃的长日照条件下能够较早开花，若生长于温度较低（16 ℃）的环境下则不会提前开花，推测miR399可能在开花的环境温度控制途径中起作用。

2miRNA在果树花芽分化中的研究前景

目前对植物 miRNA 的研究集中于一些模式植物或重要大田作物。相比其他物种，果树 miRNA研究刚刚起步，且已有研究主要集中在 miRNA检测与功能注释[38]，对果树各项生理代谢过程和花芽分化相关miRNA的研究更是鲜有报道。拟南芥等模式植物不同于果树，作为多年生木本植物，果树的花芽分化机理必定更加复杂，果树在开花结果之前，先经过一定年限的童期，而不同物种童期长短不同，其内在成花的调控机理也必定更加精妙，要想阐明果树花芽分化的机理，就须对不同果树的miRNA进行更多研究。迄今，关于利用果树进行广泛预测 miRNAs 的研究主要局限于葡萄、草莓和柑橘等几种果树。2009年，宋长年等[39]利用ESTs序列的研究方法从 GenBank 上下载苹果、柑橘、葡萄、香蕉、猕猴桃、桃、杏等 32 种果树 774 400 条 ESTs，采用基于生物信息学同源搜索来寻找果树同源 miRNA，将这些miRNA的靶基因按功能大体分为4类，但并未按照植物不同的发育时期对miRNA的功能进行具体分析。尽管如此，这项研究对于深入研究 miRNA 在果树生长发育中的作用仍具有一定的意义。

3展望

近年来，植物花芽分化以及花发育相关miRNA的研究越来越受到重视，对 miR156 和 miR172 2个基因家族有了较深入的研究，甚至对它们本身的表达调控也进行了研究。但对miR159、miR319、miR390 和 miR399 等几个家族的功能和表达调控尚待更进一步的研究。并且预测这几个家族之间也可能存在一定的联系，有待深入探索。随着 miRNA 表达水平检测技术的不断完善，尤其是更加灵敏和更加有效的miRNA表达谱差异分析技术的发展，将为阐明 miRNA对果树重要生理代谢过程包括花芽分化的调控机理奠定基础。

参考文献

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JIN D，WANG Y，ZHAO Y，et al.MicroRNAs and their cross-talks in plant development[J].Journal of Genetics and Genomics，2013，40（4）：161-170.

[2] HUIJSER P，SCHMID M.The control of developmental phase transitions in plants[J].Development，2011，138（19）：4117-4129.

[3] YAMAGUCHI A，ABE M.Regulation of reproductive development by noncoding RNA in Arabidopsis：to flower or not to flower[J].Journal of Plant Research，2012，125（6）：693-704.

[4] 张福平，林晓萍.热水处理对黄皮果实贮藏品质的影响[J].农业工程学报，2009（4）：299-303.