王 明 謝 潔 熊興耀 王萬興 胡新喜，2，3 秦玉芝，2，3*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128；2湖南省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心；3南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081)

miRNAs在園藝植物非生物脅迫響應(yīng)中的作用

王 明1謝 潔1熊興耀4王萬興4胡新喜1，2，3秦玉芝1，2，3*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128；2湖南省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心；3南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081)

M icroRNAs(miRNAs)是一類內(nèi)源的長度約為22個(gè)核苷酸的非編碼小分子RNA，其通過對(duì)靶基因mRNA進(jìn)行切割或翻譯抑制調(diào)節(jié)mRNA的表達(dá),在植物生長發(fā)育和環(huán)境脅迫響應(yīng)中起到重要的作用。本文綜述了園藝植物miRNA參與非生物脅迫（營養(yǎng)缺乏、鹽漬、干旱及低溫脅迫等）響應(yīng)的作用。

植物；miRNA；非生物脅迫；響應(yīng)；反應(yīng)機(jī)制

1 miRNA在園藝植物生長發(fā)育中的功能

miRNA表達(dá)是植物正常生長發(fā)育所必需的。miRNA通過與靶基因互作參與植物整個(gè)生長發(fā)育進(jìn)程調(diào)控。miRNA參與植物根、莖、葉、花等生長發(fā)育調(diào)控的反應(yīng)機(jī)制，調(diào)控功能范圍廣泛，在植物器官分化、形態(tài)建成、極性發(fā)育、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、脅迫響應(yīng)、抗逆性等方面發(fā)揮重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，miR159負(fù)調(diào)控植物MYB家族的MYB33和MYB65的表達(dá)，參與花粉囊的形態(tài)構(gòu)成。phv突變體煙草的miR165的功能抑制后，葉和莖維管系統(tǒng)生長發(fā)生異常。Liu等研究擬南芥突變體時(shí)發(fā)現(xiàn)，miR172，miR319，miR159和 miR394的表達(dá)受細(xì)胞分裂素和乙烯調(diào)節(jié)。Liu等通過Northern雜交發(fā)現(xiàn)，miRNA396在擬南芥葉子中顯著表達(dá)時(shí)，葉子中的保衛(wèi)細(xì)胞數(shù)目減少導(dǎo)致氣孔密度降低。miR160d與miR396f分別在蘆筍雌、雄花中上調(diào)表達(dá)并負(fù)調(diào)控生長素響應(yīng)因子ARFs與生長調(diào)節(jié)因子GRFs，暗示這2個(gè)miRNA很可能與調(diào)控決定與雌、雄花分化有關(guān).

2 園藝植物miRNA參與生物脅迫應(yīng)答

miRNA在園藝植物生物脅迫響應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用。研究表明，miRNA參與甘蔗黑穗病菌、黃瓜花葉病毒、馬鈴薯對(duì)黃萎病、馬鈴薯對(duì)晚疫病菌、茄子對(duì)黃萎病、蘋果對(duì)輪紋病、葡萄對(duì)白粉病等病害的防御應(yīng)答。另外，同一園藝植物miRNA對(duì)病菌蟲害作出的應(yīng)答也不同，番茄miRNA對(duì)灰霉病菌、煙粉虱、黃化曲葉病毒、疫霉的不同應(yīng)答證實(shí)了這一點(diǎn)。

3 園藝植物miRNA參與非生物脅迫應(yīng)答

3.1 miRNA與養(yǎng)分脅迫

植物低氮脅迫下表達(dá)發(fā)生變化的miRNA已見報(bào)道。通過HiSeq深度檢測菊花腦根部和葉片低硝酸鹽響應(yīng)的miRNA發(fā)現(xiàn)，差異表達(dá)2倍及以上的miRNA分別有82和102個(gè)。其中發(fā)現(xiàn)與已報(bào)道的響應(yīng)低氮脅迫同家族的miRNA，根部有 miRl69i-3p，miR398a-Sp，葉片中有 miRl 69r-3p和miR393a-3p等。miR169是植物中十分保守的miRNA，低氮脅迫下強(qiáng)烈下調(diào)，miR169成員的表達(dá)量在低磷的條件下也會(huì)減少。通過對(duì)根系結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，miRNA393過表達(dá)植株在低氮處理下影響主根的生長及側(cè)根的萌發(fā)和伸長。大豆miR826作為一個(gè)新的、受N缺乏誘導(dǎo)表達(dá)的miRNA，可能參與調(diào)控芥子油苷的生物合成過程。另外，在受N元素缺乏抑制表達(dá)的miRNA里，還有15個(gè)miRNA分別直接參與了植物P，S和Cu的代謝調(diào)控。

3.2 miRNA與干旱脅迫

干旱脅迫下，植物通過細(xì)胞對(duì)干旱信號(hào)的感知和傳導(dǎo)、調(diào)節(jié)基因表達(dá)、產(chǎn)生新蛋白質(zhì)，從而引起一系列復(fù)雜的形態(tài)、生理生化上的變化。楊江偉通過對(duì)降解組測序獲得miRNA靶基因進(jìn)行功能注釋，最終鑒定出12個(gè)靶基因與干旱相關(guān)。其中7個(gè)miRNA靶基因獲得了5'-RLM-RACE驗(yàn)證。熒光定量PCR表達(dá)分析也表明，這些miRNA在馬鈴薯中響應(yīng)干旱脅迫。novel4 5’調(diào)控區(qū)分析發(fā)現(xiàn)了響應(yīng)低溫和逆境的順式作用元件，這一結(jié)論與表達(dá)譜分析、表達(dá)驗(yàn)證結(jié)果相吻合共同證明了novel4響應(yīng)并調(diào)控干旱和低溫脅迫。miRNAs主要在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控，通過特定miRNA對(duì)靶基因的作用，促使側(cè)根伸長并降低能量消耗，從而提高對(duì)干旱的耐旱性。miRNA和mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，miR166家族、miR2118a-Sp和miR2118b-Sp能夠調(diào)節(jié)G1yma13g23680.1和G1yma02g10320.1基因表達(dá)并參與大豆抗旱脅迫應(yīng)答。受干早脅迫的大豆miR2118至少有4類靶基因。Northern雜交結(jié)果顯示，大豆miR2118受干旱脅迫誘導(dǎo)表達(dá)且具有時(shí)空特異性，miR2118先在根中表達(dá)，后在莖和葉中高表達(dá)。

3.3 miRNA與低溫脅迫

園藝植物從分子、細(xì)胞、生理和生化水平等多方面做出適應(yīng)性調(diào)整，以抵御和適應(yīng)低溫脅迫。安鳳霞研究獲得的保守或非保守miRNA在萱草的生長發(fā)育以及抵御低溫逆境過程中起作用。在低溫脅迫下，‘迎霜’和‘白葉1號(hào)’中分別有172個(gè)差異表達(dá)的miRNA被檢測到。其中，抗寒品種‘迎霜’中有34個(gè)miRNA上調(diào)表達(dá)，43個(gè)miRNA下調(diào)表達(dá)，而低溫敏感品種‘白葉1號(hào)’中有50個(gè)miRNA上調(diào)表達(dá)，45個(gè)miRNA下調(diào)表達(dá)。木薯低溫誘導(dǎo)miRNA的靶基因功能分析得出7個(gè)miRNA均受低溫誘導(dǎo)。柑橘中ptf-miR396b通過調(diào)節(jié)其靶基因Ptr ACO的表達(dá)維持乙烯和多胺合成平衡，以調(diào)控枳對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)。在低溫脅迫下有20個(gè)miRNA在C4的葉和根中表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式，17個(gè)miRNA在KU50不同器官中表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式；表明這些miRNA表達(dá)存在基因型和器官的差異性，推測不同木薯品種(組織)中可能存在不同miRNA相關(guān)的耐低溫基因。

3.4 miRNA與其它非生物脅迫

miRNA參與重金屬、高溫、機(jī)械力、漬水脅迫等非生物脅迫響應(yīng)的研究也多見報(bào)道。王燕試驗(yàn)里鑒定的蘿卜Pb脅迫響應(yīng)miRNA的靶基因主要參與了逆境相關(guān)的信號(hào)感知、轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝途徑，及與金屬離子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。高溫處理?xiàng)l件下，沙梨miRNA及調(diào)控靶標(biāo)基因在梨莖尖和基部表達(dá)模式與病毒積累量之間的對(duì)應(yīng)分析結(jié)果揭示了miRNA參與調(diào)控靶標(biāo)基因在降低梨莖尖病毒濃度過程中具有重要的調(diào)控作用。

4 展望

近年來，研究生物脅迫與非生物脅迫下園藝植物miRNA與靶基因的互作關(guān)系是生命科學(xué)的熱點(diǎn)問題，促使實(shí)驗(yàn)方法迅速發(fā)展，miRNA的功能展現(xiàn)得更完整徹底。miRNA是植物逆境脅迫適應(yīng)過程中在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)生調(diào)控功能一類內(nèi)源性的RNA調(diào)控因子，它受逆境脅迫所誘導(dǎo)，通過靶基因的切割或翻譯抑制調(diào)控其下游逆境誘導(dǎo)基因的表達(dá)，間接通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來調(diào)控生長代謝影響抵御逆境脅迫。目前，miRNA之間的相互關(guān)系以及miRNA與靶基因間的作用機(jī)制研究還十分薄弱，相關(guān)研究將是今后的研究重點(diǎn)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“馬鈴薯抗寒相關(guān)基因表達(dá)和M icroRNAs調(diào)控模式研究”（31371683），馬鈴薯m iR 390在響應(yīng)低溫脅迫中的作用機(jī)理研究（CX 2017B385）

王明(1994-)，女，湖南岳陽人，碩士研究生，主要研究逆境下M icroRNA與靶基因的互作關(guān)系。

*通信作者，秦玉芝(1971-)，女，湖南永順人，博士，副教授，主要從事逆境生理與蔬菜遺傳育種研究。

（責(zé)任編輯 張芝）