植物MicroRNA对花发育调控研究进展

陈罡

（辽宁省林业科学研究院 林业生物技术与分析测试中心，辽宁 沈阳 110032）

植物MicroRNA对花发育调控研究进展

陈罡

（辽宁省林业科学研究院 林业生物技术与分析测试中心，辽宁 沈阳 110032）

植物M icroRNA是一种长19～24个核苷酸的内生性小RNA，在植物的发育过程中起着重要且独特的调控作用。由于其在植物生长发育、器官的形态建成、信号转导以及对外界环境胁迫应答等生物学过程中起到重要的调节作用，已成为基因功能研究的重点和热点。该文综述了M icroRNA研究的发展现状，并介绍了植物M icroRNA对花器官调控的作用机理及一些研究进展。

植物M icroRNA；花发育；调控机制

在生物界广泛存在着具有一定功能的非编码小分子RNA。从最早在牵牛花发现的小分子干扰RNA（small interfering RNA,siRNA）至今，人们已经在多种真核生物中发现上百种这种小分子RNA。M icroRNA是小分子RNA的一种，简称m iRNA，最早是由Lee等[1]在秀丽新小杆线虫基因组中发现的，植物M icroRNA是由Reinhart等[2]从拟南芥小RNA文库中获得的。由于最初发现M icroRNA时对其了解较少，没有统一的命名规则，但随着近年来对M icroRNA的深入了解，鉴定方法的不断丰富，M icroRNA的报道数量越来越多，分类越来越详细，植物M icroRNA的发现也使人们对RNA调控基因表达的功能有了新的认知。植物M icroRNA是基因表达中一类负调控因子，在植物生长发育的各个过程及抵御环境胁迫等方面起非常重要的调控作用。

1 MicroRNA简介

m iRNA是一类内生性小RNA分子，它们是一些5'端带磷酸基团、3'端带羟基的单链RNA分子[3-4]，经过Dicer酶加工而生成的。因其5'端带有的磷酸基团多为尿嘧啶核苷酸，使得m iRNA能与大多数寡核苷酸和功能RNA的降解片段进行区别。成熟的m iRNA需要经过多个过程加工。最原始的是由m iRNA的编码基因翻译得到的pri-miRNA。在细胞核内，pri-m iRNA经过一次加工，得到prem iRNA，即m icroRNA前体，这个前体具有形成稳定的发夹结构的能力，之后pre-m iRNA运出细胞核，在细胞质中再经过具有核酸酶Ⅲ功能的Dicer酶（动物）或Dicer-like酶（植物）酶切后，就得到成熟的m iRNA[5]。成熟m iRNA通过与靶基因的3'-UTR区（非编码区）互补配对，从而介导m iRNP（m iRNA蛋白质）复合体对靶mRNA进行翻译抑制或者切割降解[6]。

研究表明，在绝大部分真核植物中都存在m iRNA，并且在结构方面具有保守性、时序性、特异性和多态性[4，7]。其共同的特征有：①成熟的miRNA是长度19～24碱基的单链核苷酸片段；②m iRNA本身具备不编码蛋白质的功能，但能够与靶标mRNAs部分互补配对从而干扰蛋白质的合成；③miRNA是由前体双链RNA（dsRNA）在PPD蛋白、DICER酶的共同作用下生成的；④大多数植物的m iRNA具有组织特异性表达和发育阶段特异性表达的特点，同时还具有自我调控转录的机制。m iRNA在植物体中大量存在是有条件限制的，即在一定的组织器官中和特定的时间段的情况下m iRNA才会表达。

2 MicroRNA的调控机理

不同于以往人们对RNA转录信使的局限认识，miRNA具有基因表达负调控作用。正是m iRNA这种基因表达负调控这一特性，才引起学术界的广泛关注。而这一特性可以被广泛应用到基因功能研究、调控等科学研究中。研究表明，m iRNA主要通过降低靶分子的翻译调节植物基因的表达，或者通过在转录后水平上通过介导mRNA靶分子的降解这两个途径来调控植物器官的形态建成、生长发育、分泌激素与转导信号以及植物对外界胁迫环境因素应答的能力[3]。m iRNA在植物中的作用方式只有两种，即剪切和抑制翻译。这主要是由m iRNA与靶mRNA序列互补程度决定。当m iRNA与靶mRNA的不完全互补配对，其占据原本mRNA的位置，从而阻抑了mRNA的翻译过程，降低了mRNA的表达水平。这种途径属于翻译水平基因调节，不影响mRNA的稳定性，从根本上起到了基因表达负调控作用。另外一种途径，m iRNA与靶mRNA序列可以近乎完全互补配对，进而剪切mRNA，这种途径属于转录后水平基因调节，也可以达到基因表达负调控作用。大部分m iRNA只具备其中一种途径，只有极少数同时兼备这两种途径。植物体内的m iRNA与靶mRNA的互补程度较高，因此其作用方式以剪切为主，近年来对拟南芥m iRNA加工途径研究发现，植物体内也存在广泛的抑制翻译途径，剪切机制与抑制机制大都协同进行[8]。

3 MicroRNA对花发育的调控

花发育分为开花诱导、花的起始和花器官发育3个阶段，是由多种基因参与的十分复杂的调控过程，也是高等植物生长发育过程中的重要事件。许多研究表明miRNA在花发育中起重要作用。

3.1 MicroRNA对花期时间的调控

miR156是植物生长周期转变的主要调控基因，SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE (SPL)家族成员是最早在金鱼草Antirrhinum majus中鉴定出能够与花器官分生组织特异基因SQUAMOSA的启动子结合的转录因子[9-10]。m iR156能够直接抑制SPL家族成员的表达，从而控制了从营养生长期到生殖生长期的转变[6]。m iR156的表达贯穿着整个幼年营养生长阶段，是植物幼年期至成年期转化的重要分子，具有调控幼年期至成年期转化的功能，在向成熟期转变的过程中表达量减少。m iR156的靶基因SPL通过对一类MADSbox基因的表达调节，控制了成年期到生殖生长期的转变[11]。m iR156的含量逐渐降低，靶基因SPL的含量则逐渐上升，当靶基因的表达到达一定程度时，下游基因便开始表达，进而诱导植物开花。研究表明[12-13]，m iR156是一条控制开花的内源性途径，其调节是通过对m iR156的含量改变来实现的，该途径保证了植物在没有外界诱导信号的情况下依然可以开花结果。

m iR172与m iR156类似，即都可以通过降解和抑制靶mRNA两种方式发挥作用，控制开花时间和花器官的形成[14]。拟南芥m iR172的靶基因包括转录因子APETALA2(AP2)、基因亚家族的SCHLAFMUTZE和SCHNARCHZAPFEN，二者均可编码光周期的诱导抑制子，m iR172通过调节AP2类转录因子来控制植物开花时间，影响花器官决定、花形态建成及植物发育[15]。拟南芥中m iR172过表达会促进提前开花，AP2类基因过表达则使植物花期延迟。Glazinska等[16]对短日照植物大花牵牛研究表明，长日照处理下，AP2类基因的表达量增加使得m iR172的积累量降低，用生长素、乙烯处理以及消除大花牵牛光诱导的暗期间断处理中，AP2类基因的表达量降低而m iR172的积累量增加；Grigorova等研究发现，当AP2类基因上的m iR172结合位点发生突变后，拟南芥花器官的发育会出现严重缺陷，同时还发现，AP2基因的下调会使m iR172在轮内花器官中表达[17]。这些研究均可证明m iR172和AP2类基因在开花时间的调控中起着重要的作用。此外，在m iRNA调控植物生长周期中，miR156和m iR172相互作用。m iR156抑制SPL家族表达，而部分SPL则促进m iR172表达。

m iR159和m iR319也是植物花期发育过程中有调节功能的一类M icroRNA家族，它们的过量表达均会引起花发育障碍，如花期延期[18]，它们在植物发育中均起着重要调节作用。m iR159和miR319相关的靶基因分别为MYB和TCP转录因子家族，通过对m iR159和m iR319序列的同源性研究表明，二者在碱基序列上存在很大的相似性，但两个m iRNA不能互相交叉调节。研究表明过表达m iR159可在短日条件下推迟开花，而过表达m iR319可在长日条件下延迟开花，表明两种m iRNA具有不同的调节方式。此外，赤霉素能够促进m iR159的表达[19]。

3.2 MicroRNA对花器官形态建成的调控

已有研究表明，过量表达的m iR172能够抑制AP2基因、AP2-like基因（如TOE1）的表达，从而导致植物提前开花并影响了花器官的形态建成。m iR172过量表达也会造成类似AP2缺失突变的花型，如心皮螺旋状卷曲等表型[20]。Zhu等[21]的研究发现，miR172的过量表达可以引起水稻小穗缺失、花器官发育畸形、可育性降低等。

miR159对花粉囊发育相关转录因子MYB33和MYB65的表达具有负调控作用，从而影响花粉囊形态；m iR164能通过调节具有NAC功能域的转录因子基因家族中CUC1和CUC2的积累量来调控植物的花瓣数以及花器官边缘细胞与顶端分生组织细胞分化。同时，m iR164过量表达导致萼片融合以及花瓣数减少[22]，暗示了m iR164与花分生组织的活动以及分生组织区域的特异性边界划分有关[23]。

miR165/166也对花的形态建成具有调控作用[24]。miR165/166在分生组织活动调控方面与花器官中分生组织的形成密切相关[25]。在m iR165/166过表达的突变体中，花结构被严重破坏。如在men1和jba-1D突变体中m iR166被过量产生，men1和jba-1D突变体的雌蕊群很小，心皮的数量也减少。此外，miR165/166及其转录因子SHR和SCR介导细胞信号转导途径调节木质部的形态建成。m iR319家族的过表达均会引起与m iR159过表达相似的雄蕊败育现象[26]。miR396表达量的显著增加可导致植株的花柱头弯曲，可见，m iR396也参与了花发育的调控。3.3 MicroRNA对其他花发育过程的调控

Chuck等[27]的实验表明，M icroRNA的靶向SBP-box转录因子tasselsheath4（tsh4）对玉米苞叶的发育及花序内分生组织边界的建立起重要的作用。miR164不仅调控花器官边界的形成，在侧向器官的延伸、分离及器官边界的形成等方面也起着重要的作用。研究表明，m iR167过量产生，能够降低胚珠的成熟度[28]。m iR167的靶基因ARF在雌蕊和雄蕊群的发育及成熟度的调控中起着重要作用[29]。miR167还调控拟南芥雌雄花的能育性[30]。

4 展 望

M icroRNA的研究为植物生物学提供了一种新的研究途径，为人们了解和认识植物基因和基因表达调节的本质提供了全新的视角。近年来，通过转基因技术，M icroRNA已全面进入植物基因组研究及生理功能研究，也使人们的研究不再仅仅局限于基因和蛋白质，对植物M icroRNA调控基因的复杂网络有了一定的认识，大大推进植物生物学研究的发展。但目前仍然存在许多问题有待解决，如M icroRNA与基因的调控机制仍需进一步详细了解，已经发现M icroRNA中的许多具体作用机理也需进一步验证，M icroRNA的生物学功能还需要进一步解析。从目前已有报道来看，植物M icroRNA研究还主要集中在拟南芥、水稻、玉米、大豆等模式植物上；在木本植物中，杨树、落叶松、文冠果、蒙古沙冬青以及果树等有部分报道，而在其他植物中研究还较少，获取途径也仅限于小规模实验分离和生物信息学预测。为更好地了解和深入研究植物M icroRNA的功能与作用机制，应拓宽其功能研究领域，广泛选用植物材料。此外，目前M icroRNA的功能研究主要集中在其对植物生长发育调控、环境胁迫应答等领域，而对其在植物体内代谢途径的调节研究相对较少。M icroRNA的调控网络信号十分复杂，相信随着技术的发展和研究的深入，以上问题会逐一解决，M icroRNA将会更广泛地运用于植物学研究的各个领域。

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（责任编辑：张素清）

Q522

A

1001-1714（2017）02-0055-04

2017-02-16

陈罡（1980-），男，高级工程师，主要从事林木生物技术研究。E-mail：chengang1625@163.com。