miRNA参与植物耐逆性调控的研究进展

谷彩红 陈家红 张荃

摘要 一些miRNA在植物中的功能具有保守性，并受逆境胁迫的调控。对植物中miRNA在胁迫应答中的作用进行介绍，为进一步的miRNA研究以及利用miRNA提高作物耐逆性提供潜在的策略和未来的研究思路。

关键词 逆境胁迫；miRNA；植物；调控

中图分类号 S184 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）34-0148-04

Abstract Some miRNAs are conserved in plants and are regulated by stress.In this paper，the role of miRNA in stress responses in plants was introduced，which provided a potential strategy for further miRNA research and the use of miRNA to improve crop tolerance.

Key words Adversity stress； miRNA；Plant；Regulation

盐、干旱、温度等逆境胁迫是限制作物生产力的重要因素。然而，植物可通过自身防御系统应对不利的环境条件，这些防御机制之一即是通过miRNAs对基因表达进行重新编程。 miRNA是长度大约为22 nt的内源非编码RNAs，可在转录后水平上调控其靶基因的表达。miRNAs在近些年的植物研究中受到高度关注。通过克隆、测序和生物信息学等方法在拟南芥、水稻、玉米、小麦、玉米等植物中均发现了不同数量和类型的miRNAs。越来越多的证据表明，miRNA不仅能调控植物的生长发育，而且在应答盐、干旱、温度和营养胁迫等非生物胁迫和病菌等生物胁迫的过程中有重要调控作用。对植物miRNAs在胁迫应答中的作用进行介绍，为进一步的miRNA研究以及利用miRNA提高作物耐逆性提供潜在的策略和未来的研究思路。

1 miRNA的基本特征和調控机制

microRNA（miRNA）是内源性的大小为20～25个碱基的单链非编码RNAs，广泛存在于真核生物中。miRNAs来源于能形成稳定二级结构的非编码转录物，在真核生物中约占基因数量的1%[1]。大多miRNAs为不编码蛋白质的独立转录单元，成熟miRNA 5端有磷酸基团，3端为羟基； miRNA由具有发夹结构（hairpin）的RNA前体经过Dicer酶加工后形成。多数miRNAs在进化上高度保守，且表达具有组织和时空特异性[1-2]。

miRNA为调控转录因子或其他靶标的转录后负调节因子。植物miRNA通过：①转录后裂解mRNA 或翻译后抑制负向调节互补靶基因的表达[2-3]；②对靶DNA甲基化进行转录水平上的调控[3-4]。miRNAs能选择性调节特异靶基因的表达水平实现其功能[5-6]。大多数miRNAs在植物种间是保守的，因此它们可能调节相似的靶标。miRNAs靶标与广泛的代谢和生理过程有关[5-7]，保守miRNAs靶标通常为MYB、NAC1 和HD-ZIP转录因子，涉及植物发育和器官的形成，而且这些靶标蛋白中的很多为胁迫反应因子[5-8]。研究表明miRNAs作为靶蛋白的负调节因子，大多靶向转录因子等调控蛋白，处于植物基因表达调控的中心位置[1]。

2 miRNA参与盐、干旱、温度胁迫的调控

2.1 miRNA与盐胁迫

在低或中度盐胁迫时，植物生长速率和产量受到影响，高盐则对植物生长有害[5]。

高盐条件下，拟南芥中miR397表达上调，其靶基因LACs 和CKB3表达水平下降，过量表达miR397的转基因拟南芥植株提高了抗盐性，而抑制miR397基因表达的植株耐盐能力降低（国际专利：WO 2007/103767 A2）。通过拟南芥芯片研究结果表明，300 mmol/L NaCl处理下miR396、miR168、miR167、miR165和miR319等表达均有显著的上调[9]。

水稻miR169家族包括17个成员，其中OsamiR169g、miR169n 和miR169o 均受盐胁迫的诱导[10]，并特异性地剪接NFYA基因转录本，只有OsamiR169g受干旱胁迫的诱导[11]。在盐胁迫条件下，OsamiR396c通过ABA依赖的方式降低其表达，其过量表达导致植株耐盐性降低[12]。高通量测序和生物信息学分析从水稻花序中鉴定了10个与盐胁迫相关的miRNAs[13]。另外，干旱和盐胁迫诱导miR393，靶向激素运输基因OsAUX1和水稻分蘖抑制基因OsTIR1。过量表达miR393的转基因水稻分蘖和开花增加，但对盐的耐性降低，并对激素超敏感[14]。而水稻miR408则受干旱和盐胁迫下调[15-16]。在非生物胁迫下，水稻中多个miRNAs的功能和其他物种中的类似，表明不同物种中miRNAs可能具有共同的调控机制，例如盐胁迫下拟南芥和水稻中miR393均被上调[5，17]。

2.2 miRNA与干旱胁迫

干旱是世界大部分地区经常反复出现的气候特征，全球很多地方的农业产量均受干旱的严重影响[18]。

不同耐旱性水稻品种中，miR164、 miR396、 miR812和miR1881在水稻发育不同阶段及干旱胁迫下的表达模式均具有品种特异性的特点[19]。另有研究表明，干旱胁迫下拟南芥miR159也受胁迫激素ABA的诱导，说明miR159受胁迫和激素信号的交叉调控[20]。miRNA芯片分析发现，干旱胁迫下小麦的叶和根中分别有207和115个miRNAs表现上调，78和129个miRNAs表现下调；在这些差异表达的miRNAs中，23个miRNAs仅在叶中表达，26个miRNAs仅在小麦根中表达[21]。在干旱胁迫下，普通小麦中miR159、miR160、miR166、miR169、miR172、miR395、miR396、miR408、miR472、miR477、miR482、miR1858、miR2118和 miR5049 显示差异性的表达；调控网络分析发现，miR395与大量的靶标相关联，miR159 和miR319则共享了很多靶基因；耐旱和旱敏感小麦品种在受到干旱胁迫后其miRNAs及其靶标的表达模式均发生了改变[21]。

对二倍体和四倍体泡桐的2个干旱处理和4个对照库进行高通量测序，鉴定了30个保守miRNAs和88个Novel miRNAs，其中在二倍体和四倍体泡桐中有22个miRNAs具有差异性的表达，并通过降解组测序鉴定了miRNAs靶基因，该研究为进一步了解泡桐耐受干旱胁迫的分子机制提供了数据资料[22]。

植物野生种较之于相近的栽培植物具有更高的耐旱性，植物野生种更好的耐旱性可归因于基因的差异表达[18]。通过对旋花科植物——耐旱野生甘薯和干旱敏感栽培种小牵牛的高通量测序发现，这2个物种间有34个保守miRNAs，但干旱改变了这2个种其中一些miRNAs的表达水平。在耐旱野生甘薯中miR398、 miR168、 miR858、 miR162和 miR408的表达上调，而miR394 和 miR171的表达下调；在干旱敏感栽培种小牵牛中miR394、miR156、 miR160、miR164、 miR167、 miR172、 miR319、miR395、 miR396、miR403的表达上调，miR157的表达下调。而且，耐旱野生甘薯和干旱敏感栽培种小牵牛之间的miRNAs基本表达水平和干旱介导的表达均具有差异性[18]。在水分虧缺时，蒺藜苜蓿根、叶中的miR398和miR408均表达上调，它们各自的靶基因线粒体细胞色素C氧化酶5b亚基COX5b和质体蓝素则是明确下调[23]。在水稻、拟南芥和番茄中，miR169均被证实与植物的耐旱性相关[11，24]。而通过在拟南芥中异源表达大豆gmamiR394a降低了拟南芥靶基因Fbox转录因子（At1g27340）的表达量，提高了转基因拟南芥的耐旱能力[25]。而且，植物中一些miRNAs的功能具有保守性，并受干旱胁迫的调节，这些特点表明基于miRNAs的遗传改良具有增强谷类作物耐旱性的潜力[26]。

2.3 miRNA与温度胁迫

拟南芥和短柄草中miR397、miR172、miR171、miR169和miR408等均受低温胁迫的诱导[7，27]。另外，拟南芥中miR393也受到低温胁迫的诱导[17]。水稻中miR1425受冷胁迫上调，通过调控PPR蛋白正向影响花粉粒的数目、上调花粉的产量[5]。

在高温胁迫下，耐热小麦品系TAM107中miR172表达下调，而miR156、miR159、miR160、miR166、miR168、miR169、miR827和 miR2005的表达上调[28]。4个大麦成熟miRNAs （miR160a、 miR166a、miR167h和 miR5175a）及其前体在热胁迫下表达均上调；另外，大麦miR160a 和 miR5175a内含子剪接也受热诱导，表明大麦中热应答miRNAs表达在转录和转录后水平上受调控，同时miRNAs的诱导表达与试验鉴定的靶基因表达下调相关联[29]。另外，研究发现热胁迫可诱导miRNAs的剪接，在大麦中大量存在miR160a 和miR5175a的剪接异构体，其含有miRNA发夹结构但缺少内含子[29]。热胁迫下大麦中这种剪接异构体会出现积累，而对照植物中pri-miRNA具有低水平的剪接，说明pri-miRNA的结构元素可能是植物感受温度、干旱和盐等非生物胁迫的强有力感受器[30-31]。

3 miRNA参与植物营养胁迫的应答调控

研究发现，植物一些miRNAs可对特定营养缺乏进行应答，以调控植物对营养胁迫的适应。目前，已在多种植物中发现磷缺乏诱导399，硫缺乏诱导395，铜缺乏诱导398、397和408的表达[32-33]。

3.1 miRNA与氮协迫

氮元素是植物生长必需的矿质营养。Zhao等[34]研究发现miR169参与植物氮素代谢的调控。在氮素缺乏时，拟南芥miR169 强烈下调，而其靶标NFYA家族成员被强烈诱导；通过对拟南芥miR169 前体的表达分析，发现氮素缺乏时其根和茎中 miR169a 均大幅度下调。同时，组成型过量表达miR169a的转基因拟南芥中NFYA 家族成员表达受抑制，氮素积累减少，较之于野生型对氮素胁迫更加敏感，说明miRNAs有助于植物应对土壤氮素胁迫的波动。

高通量测序结合定量PCR发现，三倍体毛白杨在低氮处理后有21个保守miRNAs的表达发生了很大的改变，响应低氮胁迫miRNAs 共有218 个靶基因，通过GO和KEGG诠释了靶基因的功能，其结果表明杨树miRNAs在响应低氮胁迫中担任重要调控作用[35]。

小麦的种子发育和产量对氮素营养高度依赖。对小麦栽培种Svevo 和 Ciccio在氮素缺乏时的小RNA库测序，鉴定了161个保守miRNAs和84个Novel miRNAs。研究还发现，Svevo对氮素缺乏的反应更为明显，预测大量靶基因与氮代谢相关；定量PCR对特定小麦品种和组织中miRNAs及靶标miR399b/PHO2、 miR393c/AFB2和ttunovel61/CCAATTF进行表达分析，发现两者呈完全的负相关。在小麦Svevo和 Ciccio品种的几乎所有组织中，ttunovel61下调，而它的靶标CCAATTF上调，而且CCAATTF 在预期的位点上被ttunovel61裂解。miRNAs对氮胁迫的应答为最终提高小麦中氮素利用效率提供了重要的理论基础[36]。

3.2 miRNA与磷胁迫

土壤有效磷缺乏是一个世界性的作物生长限制性因素，miRNA399在拟南芥等植物感受低磷胁迫从而保持体内磷稳定中具重要作用。

在磷元素充足时，拟南芥pho2突变体的叶子过量积累磷[37-38]。在磷缺乏时拟南芥miRNA399表达上调，导致其靶基因泛素结合酶UBC24活性的抑制进而调节无机磷的均衡，以适应环境中有效磷利用的变化[37-40]。但过量表达miR399或UBC24缺陷的植物因为磷吸收增加导致磷毒害，同时增强了磷从根到茎的移动和磷在老叶中的滞留[32，39-40]。研究表明，miR399对UBC24表达的调控对于磷的均衡是关键的[32]。拟南芥基因组编码的6个miR399均受低磷胁迫的诱导，而UBC表达的下调对主根的延长、磷高亲和力转运子（如AtPT1）的表达从而维持植物体内磷的稳定至关重要[37-40]。在磷亏缺的拟南芥phr1突变体中，miR399 的表达强烈受抑，而且一系列磷应答基因的表达也受抑制，但磷充足时拟南芥pho2突变体中磷应答基因表达上调，说明miR399 和PHO2在磷信号调控网络PHR1的下游[37]。

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