miR172调控植物生长发育及逆境胁迫的研究进展

王 晨，张居萍，丁 晗

（1浙江农林大学林业与生物技术学院，杭州 311300；2浙江农林大学园艺科学学院，杭州 311300；3浙江农林大学茶学与茶文化学院，杭州 311300）

0 引言

植物microRNA(miRNA)是一类广泛存在于植物体内的长20～24个核苷酸的内源性非编码单链小分子RNA[1]，通过与下游靶基因互补配对来降解mRNA或抑制其翻译过程来调控植物生长发育和抵御逆境的能力[2]。线虫lin-4是首个被确认的miRNA，其调控线虫幼虫向成虫的转变[3]。随后，从拟南芥(Arabidopsis thaliana)中鉴定出16种植物miRNA，分别是miR156-miR171[4]。接着拟南芥8个新的miRNA被发现，分别命名为miR172-miR179[5]。到目前为止，已鉴定38589个前体和48860个miRNA成熟体[6]。

在诸多miRNA中，miR172是非常重要并被广泛关注的一个。已知在拟南芥中miR172的前体由MIR172A-MIR172E 5个基因编码。miR172通过翻译抑制和转录后剪切调控靶基因，其靶基因有6个，分别为 APETALA2(AP2)、 SCHNARCHZAPFEN (SNZ)、SCHLAFMÜTZE(SMZ)、TARGET OF EAT1(TOE1)、TOE2、TOE3，它们都是AP2转录因子家族成员，该家族成员均具有至少一个AP2结构域[7-9]。miR172在开花植物中高度保守，对植物生长发育、花器官发育及抵抗逆境胁迫等方面具有重要调控作用[10]。

一直以来，人们从经典遗传学、形态学、分子生物学等方面对miR172介导植物生长发育进行深入研究，而基因组学、小分子RNA和表观遗传学等领域不断发展，为研究miR172及其靶基因对植物生长发育及逆境胁迫调控模式和机制提供了新的视角，并据此得出许多研究成果。本研究综述了miR172及其靶基因调控植物营养生长阶段转变、成花诱导、花器官发育及抗逆胁迫等方面的最新进展，并描绘了基本的调控网络，为今后深入研究miR172对不同植物生长发育进程调控提供参考。

1 miR172 调控植物营养生长阶段转变

绿色植物种子萌发后，其根、茎、叶等营养器官的生长叫做营养生长[11]。营养生长阶段分为幼年期和成年期两个时期，当营养器官生长到一定时期后，就开始形成花芽，进入生殖生长阶段[12-13]。植物从幼年期向成年期过渡的过程叫做营养生长阶段转变(vegetative phase change,VPC)[14]。研究表明，营养生长阶段转变过程受各种基因表达的调控[15]，其中影响该过程的主要分子调控机制是miR156-SPL[16-17]，miR156通过靶基因SPL9调控miR172表达[10,13,16]，miR156积累使植株幼年期延长，而miR172转录本积累加速植株向成年阶段转变（图1）。

图1 miR172调控植物生长发育网络

随着植株年龄增长，miR172表达量呈现上调趋势。当双子叶植物拟南芥中miR172过表达时，叶片远轴面会提早出现表皮毛，促进拟南芥从幼年期向成年期转变[16,18-22]。同时，拟南芥下表皮毛年龄依赖型发生的分子机制也得到揭示，即miR172靶基因TOE1可通过抑制表皮毛发生关键调控基因GL1来实现年龄依赖型下表皮毛调控模式[23]。大豆(Glycine max)过表达miR172c转基因株系主茎茸毛颜色提早变为棕色，表明前体基因miR172c对大豆营养生长阶段转变过程十分重要[24]。单子叶植物玉米(Zea mays L.)中miR172则在芽中高积累，并介导其靶基因glossy15(GL15)降解，通过负调控GL15活性，调控玉米营养生长阶段转变过程[25-26]。这种miR172幼年期表达量低成年期表达量高且过表达miR172会促进营养生长阶段转变的模式同样出现在麻风树(Jatropha curcas)[27]，加杨(Populus×canadensis)[28]，桉 树 (Eucalyptus grandis)[29]，高 粱(Sorghum bicolor)[30]和西番莲(Passiflora edulis)[31]中。

营养生长阶段转变对于调控植物开花结果有重要作用，且植物只有经过这一阶段，才能顺利进入生殖生长期，完成正常开花、结果的过程。综合分析，miR172促进营养生长阶段转变过程在植物中保守存在，这为研究miR172在其他植物中的功能提供了方向，有利于通过分子手段对幼年期较长的花果型商品植物进行营养生长阶段转变调控，从而缩短营养生长阶段、使之提前进入生殖期，从而提高花果型商品植物生产效率。

2 miR172 调控植物开花

miRNA转录后调控机制在开花时间控制中起关键作用，Jung等[20]证明GIGANTEA(GI)通过调控miR172表达量来调节FLOWERING LOCUS T(FT)影响拟南芥开花。Lee等[32]在单子叶植物水稻(Oryza sativa)中发现miR172通过抑制靶基因AP2家族因子OsIDS1和SUPERNUMERARY BRACT(SNB)促进水稻开花。miR172-AP2的调控成花的机制除在拟南芥和水稻中存在外，在观赏植物蝴蝶兰(Phalaenopsis hybrid)[33]、金缕梅(Sinningia speciosa)[34]、牵牛花(Ipomoea nil)[35]以及芸薹属植物油菜(Brassica napus)[36]中也得到验证。

开花机制也受环境温度及光周期变化影响。在拟南芥中过表达miR172后抑制其靶基因AP2，从而抑制开花阻遏因子AGAMOUS-LIKE15(AGL15)的表达，使过表达株系表现出低温敏的早花表型[17,21]。此外，热感通路关键因子short vegetative phase(SVP)可以通过调控miR172来调节拟南芥开花对温度的敏感程度[37]。多年生植物开花之前必须经过足够时间的春化作用，在弯曲碎米荠(Cardamine flexuosa)[38]和高山南芥(Arabis alpine)[39]中发现通过调节miR156和miR172的水平，来调控其对春化反应的敏感性。

成花是植物正常生长发育不可缺少的阶段，合理利用miR172有利于调节植物营养生长与生殖生长的关系，从而达到加速良种繁育、合理调控观赏植物花期的目的。

3 miR172 调控植物花器官发育

花器官的发育遵循ABCDE模型，根据ABCDE模型可知，植物的花由外到内依次是萼片、花瓣、雄蕊、心皮[40-41]。miR172过表达对番茄(Solanum lycopersicum)的花器官发育产生影响，如萼片增大、花瓣变窄和萼片向花瓣转化等[42]。同时miR172也可以通过抑制编码AP2类转录因子来调节植物花型。在拟南芥、烟草(Nicotiana benthamiana)和野生型兰花(Cymbidium ensifolium)中，由于AP2基因过表达，导致ABCDE花发育模型被破坏，花瓣、雄蕊和心皮大量增殖[43-45]。除此之外，双花叶玫瑰中AP2类转录因子RcAP2L会调节RcAGAMOUS表达并且导致玫瑰产生更多的花瓣[46]，双花性状同样出现在蔷薇科桃树(Prunus persica)中，拟南芥AP2类转录因子TOE同源基因Prupe.6G242400中miR172靶位点缺失也会导致双花性状的产生[47]，这为了解其他主要观赏植物对双花性状遗传调控提供了有利信息。

花器官同一性也是建立花形态和花序结构的关键。在水稻中OsMADS1是miR172的上游调控因子，通过miR172-AP2路径调控外稃和内稃的伸长，参与了花器官的发育[48]。小麦(Triticum aestivum)miR172及其靶基因Q(AP2L5)水平的变化会影响颖片向外过渡的程度，而开花是由颖片膨大引起的，缺失Q(AP2L5)基因后在心皮和颖片中表现出颖片向心皮转化的器官缺陷，表明miR172和AP2基因表达的平衡对于穗花正常发育至关重要[49]。大麦(Hordeum vulgare)中控制颖片发育的基因是AP2转录因子家族成员cleistogamy 1(CLY1)，miR172可以降低CLY1蛋白的丰度，使大麦花朵正常开放[50]。

花器官发育对提高植物经济产量及观赏价值具有重要的作用。对于果实型作物来说，适当提高雌花比例可提高作物产量，从而提高经济价值；对于观赏植物来说，适当调整雌雄花的比例可获得更多具有更高观赏价值的品种，提高物种多样性。

4 miR172 与植物逆境胁迫

植物在生长发育的过程中会受到各种因素的影响，这些因素统称为胁迫，包括生物胁迫和非生物胁迫，生物胁迫包括病虫杂草等，非生物胁迫包括干旱、洪涝、低温、高温、盐胁迫等。生物胁迫和非生物胁迫之间相互联系，植物对不同的逆境存在相同的抵抗机制。

miR172可以对植物在发育过程中遭受的非生物胁迫作出反应。当拟南芥和马铃薯(Solanum tuberosum)受到干旱胁迫时，miR172过量表达，使植物抵抗干旱能力提高，改变生长发育进程[51-52]。拟南芥中miR172b通过直接与FLAGEL IN-SENSING2(FLS2)启动子结合并抑制其活性的靶标EAT1(TOE1)和TOE2来调节免疫受体基因FLS2的转录，促进在幼苗发育过程中FLS2介导的天然免疫作用[53]。当芥菜(Brassica juncea)遭受镉胁迫时，叶片及根中的miR172表达量也会显著降低，从而调节镉胁迫下芥蓝的生长发育进程[54]。

miR172不仅对植物抵御非生物胁迫具有重要作用，而且参与植物抵抗生物胁迫的过程。文心兰(Oncidium hybridum)作为重要经济型观赏植物，繁殖系数低且易受病菌侵害[55]，而文心兰中miR172a不仅影响假鳞茎、叶的发育和形态建成，且能够通过负调控候选靶标基因来响应软腐病病原菌侵染文心兰的过程[56]。番茄miR172a和miR172b过表达不仅可以有效提高番茄对病原菌抗性[57]，并且过表达植株对疫霉病[58]和灰霉病[59]的抗性也显著提升，且感染卷叶病的番茄中miR172积累量显著增加[60]，这为防治番茄病害提供了途径。

已知miR172在帮助植物抵抗逆境方面发挥作用，这对了解植物抵抗逆境伤害的分子机制、通过转基因提高植物的耐性从而保证植物的发育从而对农业生产应用和保护生态环境具有极其重要的意义。

5 miR172 调控作物农艺性状的形成

5.1 miR172抑制作物节间伸长

节间长短是决定作物秆长的重要农艺性状，与作物抗倒伏能力及其他生物性状密切相关。在水稻中发现AP2类转录因子成员shortened uppermost internode 4(SUI4)基因突变即sui4突变体表现出节间缩短的性状[61]，同时，SUI4作为SNB等位基因可与miR172相互作用调控水稻生殖期节间伸长程度[62]。在棉花(Gossypium hirsutum)所有保守的miRNA中，miR172等16个miRNA在矮杆突变体中上调，而在高秆突变体中下调[63]。miR172及其靶基因也影响大麦茎节间伸长，在大麦突变体Zeo1.b中，miR172介导靶基因AP2表达途径被阻断，导致有丝分裂活性降低，使得木质化过早，从而表现矮杆特性[64]。

5.2 miR172调控作物穗型

小麦和水稻是世界上重要的粮食作物，在中国的粮食安全中发挥着重要作用。如何提高其产量是小麦和水稻研究与育种的热点与难点问题。穗分枝等穗型性状是决定单株产量的重要因素，也是良种选育的关键农艺性状之一。

小麦染色体5A(5AQ)长臂上的Q基因来源于异源多倍体小麦自发突变，能够编码转录因子AP2家族，与轴长、穗型、单粒重及穗紧实度等特性密切相关[65-68]。miR172功能抑制后小麦穗型比野生型更紧凑[69]，暗示了在小麦驯化过程中，在Q基因的miR172结合位点上变化有可能形成更紧凑的穗。之后Liu等也发现小麦中过表达tae-miR172能够产生一种类似穗的表型，且过表达株系中Q转录水平显著降低[70]。另外，miR172也可以直接通过AP2来调节水稻小穗转变[71]，这对理解其他谷物的穗型调控中具有重要的意义。

5.3 miR172调控马铃薯块茎发育及豆科植物根瘤形成

Lakhotia等[72]发现马铃薯miRNA具有组织和发育阶段特异性表达，并发现在这一群体中存在着广泛且复杂的miRNA群体参与多种生物过程，包括调控块茎发育等重要发育过程。短日照植物马铃薯块茎形成受光周期调控，马铃薯内miR172的水平受短日照诱导提高但却不受长日照诱导，miR172过表达会促使马铃薯提前开花，且在适度光周期诱导下可以加速块茎化，促进块茎形成[73]。之后Bhogale等[74]发现马铃薯中SPL9过表达株系在短日照下miR172水平升高，表明miR172通过miR156-SPL9模块进行调节，且miR156作为韧皮部移动信号，调节马铃薯块茎发育。

豆类与根瘤菌相互作用形成固氮根瘤。大豆miR172c通过抑制其靶基因Nodule Number Control1(NNC1)来调节根瘤的形成[75]。除此之外，miR172过表达会使大豆[76]和百脉根(Lotus japonicus)[77]根系生长状况改善，根瘤菌感染增加，根瘤基因早期表达增加，且根瘤固氮作用增强，还会对大豆固氮酶活性和根瘤血红蛋白的积累有直接或间接影响[78]。这不仅对于调节大豆根瘤水平至关重要，而且也揭示了一个复杂调节通路，对进一步研究miR172在大豆根瘤形成的调控机制提供了依据。

表1 不同物种miR172及其靶基因功能分类表

续表1

6 展望

miR172在植物营养阶段转变、成花、花器官发育、抗逆性及其他方面都发挥着重要作用，是调控植株正常生长的重要miRNA之一。研究miR172调控植物生长发育及逆境胁迫的机制，对调控植物营养生长阶段转化、花期及雌雄花比例具有深刻的指导意义。同时，研究miR172对作物节间长度、穗形及豆科植物根瘤菌形成等方面的研究可以帮助我们筛选良种，在节省人力物力财力的同时提高作物产量。

虽然对miR172在上述过程中的调控作用有了一定的认识，国内外对miR172也有较多报道，但是到目前为止，对miR172的研究还存在以下问题：（1）植物miR172的转录调控机制研究及功能解析还不够深入和准确，仅依据模式植物拟南芥的进展在其他物种中展开，或针对miR172成熟体以及前体，并且仅在转录水平进行研究。（2）miR172靶基因AP2转录因子家族成员众多且各个成员之间在功能方面存在冗余，增加了研究miR172研究难度。

因此，在未来一段时间内对miR172的研究还需在以下几方面加强：（1）通过不断更新的测序技术，可以更加精准的测通不同物种中miR172的序列。（2）应用生物信息学的分析技术，进一步明确miR172的进化历程。（3）应用CRISPR-Cas9基因编辑技术，进一步挖掘miR172的未知功能，使我们通过miR172的功能更加深入地解决其他生物学问题。（4）利用分子标记辅助育种等育种技术，为未来改良作物的重要经济性状及其他特殊农艺性状提供理论依据。