长非编码RNA研究进展及其在油棕环境适应中的调控作用

周丽霞，肖 勇

(中国热带农业科学院椰子研究所，海南省热带油料作物生物学重点实验室，海南文昌 571339)



长非编码RNA研究进展及其在油棕环境适应中的调控作用

周丽霞，肖 勇

(中国热带农业科学院椰子研究所，海南省热带油料作物生物学重点实验室，海南文昌 571339)

综述了长非编码RNAs(lncRNAs)的研究进展，并介绍其在油棕非生物环境胁迫适应性的调控作用，以期为lncRNAs作为调控因子在油棕环境适应中的应用提供参考。

长非编码RNA；环境适应性；调控作用

随着新一代测序技术和平铺阵列(tiling arrays)等测序技术的发展，非编码RNA逐渐被挖掘并确认为基因组的组成和功能部件[1-2]。非编码RNA指不编码蛋白质的RNA，其中一部分为持家非编码RNA，如tRNAs、rRNAs和小核酸RNAs，另一部分在植物生长发育和胁迫反应中起重要的调节作用，如microRNAs和siRNA[3]。长非编码RNA(lncRNAs)是一类长度超过200 nt的转录本，其主要位于细胞核内和胞浆内[4]。根据lncRNAs具有基因组定位、DNA/RNA功能定位、靶向作用机制等特点，将其分为3个亚群：长非编码天然反义转录(lnc-NATs)、内含子长非编码RNAs和基因间长非编码RNAs。大多数长非编码RNAs被认为由RNA聚合酶II通过5′帽子和3′poly-A尾巴转录而来[5-7]。研究表明，在植物中，lncRNAs也可由Pol II、IV和V转录而来，其中部分缺失poly-A尾巴[8]。功能分析表明，lncRNAs可进行顺式和反式基因转录，并作为“支架”用于染色质复合物，其以RNA的形式参与蛋白编码基因的调控，转录后调控，转录激活、干扰，X染色体沉默和染色质修饰等多种重要的调控过程[9-10]。

近年来，lncRNAs虽然受到很多研究领域的关注，但仅有少数lncRNAs的功能研究相对深入。就研究领域而言，lncRNAs在植物领域的研究远落后于人类和动物领域[11]，其在油棕环境适应性的调控作用研究尚处于起步阶段。笔者综述了IncRNAs的研究进展，并介绍其在油棕环境适应中的调控作用，以期为IncRNAs作为调控因子在油棕环境适应中的应用提供参考。

1　植物lncRNAs多样性

通过生物信息学试验手段可探索新的lncRNAs[12]。全基因组范围内的转录组分析，如微阵列、模拟植物RNA测序结果发现，非蛋白质编码RNA主要位于真核生物基因组中[13-17]。在酵母和其他高等真核生物中发现了lncRNAs，如人类基因组分析发现超过50 000个lncRNAs[18-19]。

通过分析200份拟南芥转录组数据，发现了具有组织特异性或胁迫诱导的lncRNAs约6 480个。Wang等[14]在拟南芥中发现37 238个长非编码反义转录组，与70%反义转录组注释的mRNA相关联。利用链特异性RNA-Seq分析法，Zhu等[20]研究发现，拟南芥中lncRNAs在香蕉枯萎病毒诱导下，反义转录物中产生约20%注释基因，且大多数新鉴定的转录活性区域邻近或者位于注释基因的延伸部分。除具有poly(A)+尾巴的非常编码RNAs[poly(A)+lncRNAs]外，无该尾巴的长非编码RNAs[poly(A)-lncRNAs]在人类中已被发现[21]，在植物中，借助RNA-seq技术，发现在不同逆境胁迫条件下，拟南芥幼苗中存在poly(A)-lncRNAs[22]。与poly(A)+lncRNAs相比，poly(A)-lncRNAs长度较短，较少表达，在逆境胁迫条件下更具有特异性。

Xin等[23]在小麦中找到125个对逆境胁迫响应的lncRNAs，该lncRNAs具有组织特异性，并在白粉病和高温胁迫条件下被诱导。同样，lncRNAs在玉米中被发现，Li等[13]通过30个不同的生物学试验，结合玉米转录组数据、玉米注释基因组信息和RNA-seq数据，鉴定了20 163个lncRNAs。通过对比玉米sRNAs数据，发现超过90% lncRNAs是sRNAs的前体，在发现的1 704个高置信lncRNAs中，根据H3K27me3组织特异性分子标记判断出其中约50%的高可信度lncRNAs具有组织特异性。

2　植物lncRNAs与小RNAs前体

作为核糖核酸调节子，lncRNAs以RNA的形式在转录水平和翻译水平等多个层面调控细胞的加工过程，其作用机制多样化[24]。一些lncRNAs是小分子RNA的前体分子，如miRNAs和siRNAs。类似蛋白质编码基因和一些lncRNAs，miRNA前体基因由RNA聚合酶II转录合成[25]。对比脊椎动物和苍蝇，miRNAs在植物体中为少量成分，此外还存在较为复杂的小分子RNA池。如此复杂的sRNA池在siRNAs和二次内源性siRNAs的调节下，由植物特异性RNA聚合酶IV/V合成(Pol IV/Pol V)[26]。生物合成Pol IV/Pol V依赖性siRNAs的同时产生了植物特异性lncRNAs，因此被称为Pol IV/V依赖性lnc RNAs。

通过分析全长cDNA数据库，发现一些24nt siRNAs和拟南芥中5个lncRNA(npc34，npc351，npc375，npc520和npc523)配对成功，大多数由上述5个lncRNAs衍生而来的siRNAs映射到lncRNAs区域，表明这些lncRNAs是siRNA的前体[27]。76个lncRNAs与现有的sRNA数据库比对发现，34个lncRNAs可能是潜在的sRNA前体[24]，如miRNAs、miR869a和miR160c。基于拟南芥sRNA测序和降解组测序数据，Ma等[28]研究发现，43个区间具有高度互补的长茎结构，该区间可被识别为Dicer相似蛋白基因(DCL1)，同时推断该区间为sRNA前体。Waterhouse等[29]研究发现，多肽可通过miRNA前体的非编码区进行编码，表明一些lncRNAs具有潜在的编码功能。

3　植物lncRNAs与miRNA靶标模拟物

靶标模拟物(target mimicry，TM)最早在植物中被发现，其作为一种新型机制来调节miRNA的功能[30]。TM与其对应的miRNA形成一种“无效”的互补作用，起到抑制特定miRNA活性的作用。近年来，具有类似机制功能的竞争性内源RNA(ceRNAs)在人类和动物细胞中被挖掘，这表明通过TM来调节内源特性miRNA的丰度是一种普遍现象[31]。

作为一种内源性lncRNA，拟南芥IPS1在缺磷条件下被诱导产生，参与调控磷平衡的miR399互补结合，从而抑制miR399对PHO2mRNA的降解[30，32]。全基因组分析表明，一些植物通过全测序发现了一些候选eTMs，然而，大多数预测的eTMs主要作用于注释基因。Wu等[32]通过分析拟南芥和水稻中20个miRNAs的eTMs位点分布情况，结果发现，这些位点大部分在UTR区和非编码区。同时发现一个miRNA可对应多个eTM，且多个eTM仅在靶向位点具有保守性，两边序列无相似性。利用农杆菌瞬时表达转化方法，确定了miRNA160和miRNA166对应的eTM在植物生长发育过程中具有重要的调节功能。

eTMs的调节作用可通过内源性miRNA和人工设计miRNA诱导产生。基于eTM的重要生物学意义，挖掘miRNA相对应的eTM，是进行miRNAs功能学研究的重要手段。如将人工合成的eTMs导入转基因植物中，可以减弱相对应的miRNA的功能。

4　植物lncRNAs与春化作用

开花是植物生命周期的一个重要过程，标志着植株从营养生长阶段转变到生殖生长阶段[33]。春化作用在成花诱导方面具有重要作用，春化低温对越冬植物成花的诱导起促进作用，植物lncRNAs对春化作用的调控主要通过FLOWERINGLOCUSC(FLC)基因实现[34]。

研究表明，拟南芥春化作用主要是通过FLC基因调节，在植物中，FLC作为一种重要的开花抑制蛋白，对植物春化起到一种负调控作用[35]。FLC基因是一个复合位点，最新研究表明，该位点至少有2种类型的lncRNAs，一类被称为COLD INDUCED LONG ANTISENSE INTRAGENIC RNAs(COOLAIR)的反向转录本[36]，另外一类长非编码RNA是COLD ASSISTED INTRONIC NONCODJING RNA(COLDAIR)，其具有5′帽子结构但缺少poly A尾巴，它是由FLC第一个内含子转录而来，这2类lncRNAs可以促使PHD-PRC2复合物的形成，使得FLC通过表观遗传调控组蛋白的修饰[37]。

5　植物lncRNAs与花粉发育

Ding等[38]、Zhou等[39]完成了光敏雄性不育基因的克隆，并发现克隆的基因是lncRNAs，但两者对该基因作用机制的研究结果不一致。Ding等[38]研究认为，水稻光敏雄性不育系的关键基因为一条特异的lncRNA—long-day-specific male-fertility-associated RNA(LDMAR)，该lncRNA的充分表达是长日照条件下水稻花粉正常发育所必需的。长日照条件下LDMAR转录水平的衰减引起水稻花药发育过程中细胞程序性死亡(PCD)，该结果导致雄性不育。同时发现了一个点突变，从而导致RNA二级结构的改变和增加启动子区域DNA甲基化。进一步研究发现一个siRNA——Psi-LDMAR，位于LDMAR的启动子区域。Psi-LDMAR的过表达诱导LDMAR启动子区域产生RdDM，这使得LDMAR表达量减少。Zhou等[39]发现了一个ncRNA基因——P/TMS12-1，其转录本经过加工产生一个21nt sRNA——osa-smR5864w。osa-smR5864w中AC/G的点突变影响了sRNA的表达水平，进而产生了光敏和温敏雄性不育系水稻。上述2学者对lncRNAs作用机制的不同解释暗示了该基因的复杂性。

6　植物lncRNAs与光形态建成

光是影响植物生长发育最重要的环境因素之一。植物不仅通过光合作用将光能转化成化学能储存起来，光还能以信息的形式作用于植物并调节植物的生长、发育和分化，使其更好地适应外界环境[40]。光形态建成的调控机制是植物分子生物学中的研究热点之一，其复杂的调控过程在分子水平具有深入研究。然而，迄今为止所确定的调节因子大多是蛋白质，对参与调节lncRNAs的研究相对较少，近年来引起诸多学者的关注。

Wang等[14]以拟南芥作为模式植物，在全基因组范围内挖掘了长非编码天然反义转录本(lncNATs)。通过研究正义-反义表达谱对光线的响应，发现在626个一致和766个不一致NAT对中观测到了发育特异性光效应。这揭示了lncRNAs在光形态建成中的重要作用。Deng等[41]鉴定出一个236 nt的lncRNA——HIDDEN TREASURE 1(HID1)，HID1促进了持续红光下光形态建成，证实HID1是通过PHYTOCHROMEINTERACTING FACTOR 3(PIF3)来发挥作用的。PIF3编码了已知是光形态建成关键抑制物的一个碱性螺旋转录因子，在HID1突变株中抑制HID1，可导致PIF3表达显著升高，转而驱动持续红光下胚轴的发育。HID1是第一个被证实调控光形态建成的lncRNA。

7　植物lncRNAs在油棕环境适应中的调控作用

油棕作为我国热带地区主要的木本油料作物，被国家林业局确定为重要的生物能源树种之一。油棕喜高温，而我国热带地区冬季的短暂低温期显著影响了油棕的生长和发育，严重时导致败育减产。油棕为了适应胁迫环境产生了自身的适应机制，在分子水平上主要通过转录水平和转录后水平调控相关基因的表达，从而适应外界环境的胁迫[42]。研究表明，油棕组织中一些miRNA受环境胁迫而被诱导。首先对油棕幼苗进行干旱、盐和低温胁迫处理，通过小RNA测序，结合生物信息学分析，筛选获得67个低温处理和对照条件下存在明显差异的miRNA，说明ncRNA可能在应对上述不良环境中发挥作用[43]。

研究表明，油棕中miRNA在调控网络中发挥重要作用，其中一些miRNA的作用基因成为激素信号相应的主要成员，油棕miRNA在激素信号转导网络中的主要功能是参与激素信号转导过程，如miR395受到低硫酸盐的胁迫而被诱导，其靶基因在该胁迫下降低了mRNA的表达[44]。miR528通过调控其靶基因来参与油棕脂肪酸合成代谢，对油棕果皮脂肪酸的含量和类别发挥调控作用，当油棕受到低温胁迫时，miR528在油棕果皮发育的第5个时期表达量大大降低，其通过靶基因磷脂酶D抑制了细胞内游离脂肪酸的合成，使得低温胁迫下油棕果实中脂类物质合成受阻[44]。

8　展望

lncRNAs是植物体内的一个重要调控家族，其调控作用主要表现在植物生长发育的多个方面和适应外界逆境的胁迫。lncRNAs的调控作用存在于繁杂的调控网络中，具有较强的组织细胞特异性。目前，对油棕体内lncRNAs调控的研究尚处于初步阶段，诸多调控机制尚不清楚。此外，油棕lncRNAs作用靶基因的组成和功能研究尚不全面，随着对lncRNAs调控机理研究方法的不断深入，必将弄清lncRNAs分子调控作用的机制，也将大大促进lncRNAs作为调控因子在油棕环境适应性中的应用。

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Research Progress in Long Non-coding RNA and Regulatory Roles in Oil Palm Adaptability

ZHOU Li-xia, XIAO Yong

(Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Science, Hainan Provincial Key Laboratory of Tropical Oil Crops Biology, Wenchang, Hainan 571339)

The research advances of long non-coding RNAs(lncRNAs) were reviewed, and their regulatory functions in oil palm adaptation to abiotic surrounding stressors were introduced, so as to provide reference for application of lncRNAs in oil palm adaptation as regulatory factors.

Long non-coding RNA; Environmental adaptability; Regulatory role

海南省自然科学基金项目(20153070)；海南省科技合作专项(KJHZ2015-06)。

周丽霞(1982- )，女，山东聊城人，助理研究员，硕士，从事热带油料作物遗传育种研究。

2016-08-08

S 727.32

A

0517-6611(2016)27-0124-03