邢利娟, 劉悅萍, 王磊, 徐妙云*
1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)基因組學(xué)重點實驗室(北京),北京 100081;2. 北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院,北京 102206
籽粒發(fā)育主要包括胚和胚乳的發(fā)育以及貯藏物質(zhì)的積累[1]。籽粒的灌漿、形態(tài)發(fā)育直接影響著作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。以玉米為例,玉米籽粒的發(fā)育是由典型的雙受精開始,一個精子與卵細(xì)胞結(jié)合形成胚,另一個與2個極核結(jié)合形成胚乳[2]。胚、胚乳和母體組織經(jīng)歷精密、協(xié)調(diào)的發(fā)展,可以分為3個階段:早期發(fā)育、灌漿期和脫水成熟期[3]。在授粉后15 d(day after pollination,DAP),胚和胚乳從一個單細(xì)胞迅速發(fā)展成為分化組織。在15~45 DAP,胚乳積累了大量的貯藏物質(zhì),籽粒開始脫水成熟。在籽粒發(fā)育的過程中,受到多種機制的調(diào)控,包括各種環(huán)境因子、內(nèi)源調(diào)控激素以及各種微小RNA(microRNAs,miRNAs)等。
miRNAs是一類內(nèi)源性非編碼小分子RNA,其通過靶向mRNA在轉(zhuǎn)錄后水平上負(fù)調(diào)控基因的表達(dá)[4]。多項研究表明,植物miRNA參與調(diào)控細(xì)胞分裂、形態(tài)發(fā)生、器官發(fā)育和激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等多個生物學(xué)過程[5-6]。本文概述了植物miRNAs的生成及作用機制,綜述了近年來miRNAs參與植物籽粒發(fā)育調(diào)控的主要研究進(jìn)展,并探討和展望了miRNAs在玉米籽粒發(fā)育中的調(diào)控功能,以期為進(jìn)一步鑒定與玉米籽粒發(fā)育相關(guān)的miRNAs并解析其調(diào)控功能提供更好的研究方向。
miRNA是調(diào)控真核生物基因表達(dá)的重要調(diào)控因子,通常只有21~24 nt的長度,植物中21 nt的miRNA數(shù)量最多[7]。植物中,21 nt miRNA的生物形成包括4個步驟:①編碼miRNA基因的轉(zhuǎn)錄,細(xì)胞核中編碼miRNA的基因在RNA聚合酶Ⅱ(RNA polymerase Ⅱ)的作用下轉(zhuǎn)錄形成長度約為幾百個nt、具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物pri-miRNA (primary miRNA)[7-8];②雙鏈miRNA的形成,轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)RNase Ⅲ蛋白Ⅰ(Dicer-like 1,DCL1)切割產(chǎn)生前體miRNA(miRNA precursor,pre-miRNA),該前體長度一般為64~303 nt,隨后DCL1繼續(xù)作用于pre-miRNA而形成雙鏈miRNA;③雙鏈miRNA的釋放;④雙鏈miRNA甲基化、輸出及組裝,雙鏈miRNA在miRNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Hua enhancer 1,HEN1)的作用下,使3′端最后一個核苷酸發(fā)生甲基化后[9-10],進(jìn)入細(xì)胞質(zhì),與效應(yīng)蛋白(argonaute proteins,AGOs)結(jié)合,然后整合到RNA介導(dǎo)的沉默復(fù)合體(RNA-induced silencing complexes,RISCs)中進(jìn)一步靶向互補RNA或DNA,使其編碼基因發(fā)生沉默[4,11]。在不同物種中,DCLs、AGOs以及RNA依賴的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerases,RDRs)蛋白的數(shù)量存在差異。如擬南芥中,鑒定出了4個AtDCLs、10個AtAGOs和6個AtRDRs,DCL蛋白在植物體內(nèi)的作用主要表現(xiàn)在2個方面:加工體內(nèi)的單鏈RNA產(chǎn)生miRNA、剪切外源雙鏈RNA成為小干擾RNA(short interfering RNA,siRNA),DCL1蛋白主要參與miRNA的合成,其他3種DCL蛋白都與siRNA合成相關(guān);在擬南芥的10個AGOs蛋白中,具有切割活性的有AGO1、AGO4和AGO7[12];RDRs能以RNA為模板,從5′到3′進(jìn)行延伸合成互補RNA鏈[13]。水稻中,有8個OsDCLs、19個OsAGOs和5個OsRDRs[14];玉米中,共鑒定到5個ZmDCLs、17個ZmAGOs和5個ZmRDRs基因[15-16]。
植物miRNA抑制基因表達(dá)的主要途徑是降解與其高度互補的目標(biāo)轉(zhuǎn)錄物[17-18]。也有研究表明植物中miRNA通過翻譯抑制發(fā)揮調(diào)控功能[19],主要取決于植物miRNA與其靶mRNA序列的互補程度。目前己知的植物miRNA的功能主要表現(xiàn)在調(diào)控植物發(fā)育的各個方面,包括生長發(fā)育、逆境應(yīng)答和種子形成等生物學(xué)過程,甚至1個miRNA可以通過靶向多個不同下游基因而發(fā)揮多種調(diào)控功能,其靶基因60%以上是植物發(fā)育模式和細(xì)胞分化中相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子[20-21]。
胚乳主要為胚的萌發(fā)和生長提供營養(yǎng)。胚乳的發(fā)育分為3種類型:核型(nuclear type)、細(xì)胞型(cellular type)和沼生目型(helobial type)。在這3種方式中,細(xì)胞型胚乳發(fā)育的特點是從初生胚乳核的第一次分裂及其后的分裂都是緊跟著形成細(xì)胞壁,多集中于雙子葉植物,如煙草、番茄等。沼生目型比較少見,只出現(xiàn)在沼生目植物的胚乳發(fā)育中。核型方式最為普遍,核型胚乳的典型特征是受精極核的第一次分裂以及其后一段時間的核分裂,不伴隨細(xì)胞壁的形成,各個細(xì)胞核保留游離狀態(tài),分布在同一細(xì)胞質(zhì)中。以玉米為例,其胚乳發(fā)育是典型的核型,在胚乳發(fā)育早期為游離核時期,各個胚乳核呈游離狀態(tài)分布在胚囊中。待發(fā)育到一定階段,開始出現(xiàn)細(xì)胞壁,并且由四周逐漸向中央液泡推進(jìn),直至6 DAP左右,胚乳全部細(xì)胞化[22]。細(xì)胞化后,依據(jù)細(xì)胞的不同形態(tài)以及其功能將胚乳分為4種細(xì)胞類型:淀粉胚乳(starch endosperm)、糊粉層(aleurone,AL)、淀粉基部胚乳轉(zhuǎn)移層(base endosperm transfer layer,BETL)和胚周區(qū)(embryo surrounding region,ESR)。淀粉胚乳負(fù)責(zé)積累淀粉和儲藏蛋白質(zhì)[23-24]。淀粉胚乳細(xì)胞在發(fā)育的早期主要為大型薄壁細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)含有各種細(xì)胞器,在發(fā)育中后期,內(nèi)胚乳細(xì)胞核逐漸衰亡,隨著淀粉體和蛋白體不斷填充,細(xì)胞內(nèi)液泡逐漸消失,直至胚乳成熟期,淀粉胚乳細(xì)胞變成無生理活性的貯藏細(xì)胞[25-26]。BETL是由胚乳周圍的區(qū)域最接近花梗端部的韌皮部分化成的,負(fù)責(zé)將營養(yǎng)物質(zhì)從母體向內(nèi)部胚乳細(xì)胞轉(zhuǎn)運,以保證蛋白質(zhì)和淀粉的合成。如王忠等[26]發(fā)現(xiàn)胚乳轉(zhuǎn)移細(xì)胞(transfer cell,TC)的細(xì)胞壁中有胞間連絲,并且細(xì)胞壁的空腔含有較多的線粒體,細(xì)胞內(nèi)部內(nèi)含有許多電子密度高的物質(zhì),推測胚乳轉(zhuǎn)移細(xì)胞在把灌漿養(yǎng)分輸入胚乳方面起著重要的作用。近年來的研究鑒定了許多BETL中特異表達(dá)的基因,如BETL1是轉(zhuǎn)移細(xì)胞分化的標(biāo)志;MRP-1(MYB-related protein-1)編碼1個MYB相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子,參與激活BETL中其他基因,也有研究表明,MRP-1在AL中異位表達(dá)可以產(chǎn)生1個瞬時BETL-like的結(jié)構(gòu)[27]。剩余的胚乳外細(xì)胞層分化形成AL,AL是一層單細(xì)胞,在種子萌發(fā)時產(chǎn)生水解酶活化淀粉胚乳中的儲藏物質(zhì)[28-29]。ESR細(xì)胞的體積小,并且有大的核和豐富的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),它是一個動態(tài)的結(jié)構(gòu),在15 DAP左右消失,并作為胚與胚乳的物理屏障,參與二者的互作[30]。除去ESR之外的胚乳細(xì)胞分化成了淀粉胚乳,它們構(gòu)成了胚乳的大部分,致力于灌漿階段的營養(yǎng)儲存[31]。
胚乳的發(fā)育受很多因素的調(diào)控,其中miRNA的調(diào)控至關(guān)重要。miR397被認(rèn)為參與維持胚乳細(xì)胞分生組織的狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),miR397在擬南芥原胚細(xì)胞中高表達(dá),導(dǎo)致漆酶基因的下調(diào),從而維持胚胎細(xì)胞處于薄壁和分生組織狀態(tài),影響次生細(xì)胞的木質(zhì)化和細(xì)胞壁增厚;而miR397在分生組織中低表達(dá)使漆酶積累,從而導(dǎo)致分生組織向成熟細(xì)胞過渡時細(xì)胞壁木質(zhì)化[32]。在椰子中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,miR397在胚乳中的高表達(dá)可以使其胚乳保持分生組織狀態(tài)[33]。Gu等[34]通過小分子RNA(small RNA,sRNA)高通量測序技術(shù)鑒定了來自11個miRNA家族共18個參與調(diào)控玉米胚乳發(fā)育的miRNAs,發(fā)現(xiàn)與4~6 DAP相比,7~23 DAP胚乳中miR160的表達(dá)水平下調(diào)、miR167的表達(dá)水平上調(diào)。研究表明,miR160和miR167可以通過靶向生長素應(yīng)答因子(auxin response factor,ARF)來調(diào)節(jié)生長素的水平,進(jìn)而調(diào)控胚乳的發(fā)育[35-36]。在擬南芥中,miR160通過靶向降解轉(zhuǎn)錄因子ARF17基因,影響GH3(gretchen hagen 3,GH3)家族蛋白的變化,從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)生長素水平[37]。在水稻中,Yang等[38]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水稻細(xì)胞在無生長素培養(yǎng)基中生長時,miR167豐度降低,ARF8的mRNA水平升高;在含有生長素的正常生長培養(yǎng)基中生長的細(xì)胞中,miR167及ARF8的表達(dá)則呈現(xiàn)出相反的趨勢。當(dāng)將人工合成的miR167轉(zhuǎn)染入水稻細(xì)胞后,細(xì)胞中ARF8和GH3-2的mRNA均降低。從而發(fā)現(xiàn)了生長素—miR167—ARF8—GH3-2這樣一條新的生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。
本實驗室之前通過miRNA轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,在發(fā)育中的玉米籽粒中鑒定到132個已知的miRNAs和6個新的miRNAs,并發(fā)現(xiàn)miR164、miR171、miR393和miR2118在發(fā)育的胚乳中高表達(dá)[39]。這些高表達(dá)的miRNA靶向的基因包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、大分子生物合成與代謝過程以及胚乳中維生素生物合成與代謝過程[39],另外也研究了9、15和20 DAP玉米胚和胚乳中miRNA的動態(tài)特征,發(fā)現(xiàn)miR169在玉米籽粒發(fā)育的早期和中期特異性高表達(dá),參與胚或胚乳的調(diào)控發(fā)育[40]。值得注意的是,早期研究表明miR169家族成員主要參與植物應(yīng)對非生物脅迫的反應(yīng),而最近發(fā)現(xiàn),miR169家族成員可能作為一個紐帶協(xié)調(diào)應(yīng)激反應(yīng)和各種發(fā)育過程。如Luan等[41]發(fā)現(xiàn)ath-miR169d 通過對其靶基因NF-YA2的作用參與了擬南芥中逆境誘導(dǎo)的開花調(diào)控。在油菜中,miR169參與調(diào)控了鹽脅迫或干旱脅迫條件下種子的萌發(fā)過程[42]。前期,本實驗室也發(fā)現(xiàn)zma-miR169家族成員能響應(yīng)聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)模擬的干旱、脫落酸(abscisic acid,ABA)和NaCl這3種非生物脅迫,并通過轉(zhuǎn)基因玉米植物中啟動子::GUS系統(tǒng)表明miR169影響籽粒發(fā)育[40]。此外,Zheng等[43]發(fā)現(xiàn)miR164在玉米籽粒發(fā)育過程中表達(dá)下調(diào),參與了玉米胚乳的發(fā)育,并提出一條miR164參與玉米種子發(fā)育的調(diào)控途徑:miR164通過靶向轉(zhuǎn)錄因子NAC32/NAC40,間接調(diào)控下游基因EXPB14(expansin 14)和EXPB15(expansin 15)的表達(dá)(expansin基因與種子膨大有關(guān)),進(jìn)而影響玉米胚乳細(xì)胞的增大和種子的發(fā)育。參與調(diào)控胚乳的發(fā)育過程的miRNAs及其功能見圖1。
圖1 與籽粒發(fā)育相關(guān)的miRNAs 及調(diào)控功能Fig.1 miRNAs involved in kernel development and its regulatory function
禾谷類作物如小麥、水稻、玉米等的籽粒發(fā)育主要是淀粉積累的過程,這個過程會受到miRNAs的諸多調(diào)控。在小麥中,miR1037可以通過調(diào)控其靶基因——磷酸甘油酸激酶基因,進(jìn)而參與調(diào)節(jié)淀粉和蔗糖之間的碳分配[44];miR128-5p可以通過靶向調(diào)控蛋白DRG1(developmentally regulated GTP-binding protein 1),DRG1對調(diào)節(jié)囊泡轉(zhuǎn)運或加工貯藏蛋白的酶活性至關(guān)重要,從而調(diào)節(jié)囊泡轉(zhuǎn)運或加工貯藏蛋白的酶活性;miR004-1-5p通過抑制蔗糖磷酸合成酶編碼基因的表達(dá),從而對淀粉積累過程進(jìn)行負(fù)調(diào)控[45-46]。擴(kuò)展蛋白(expansin)是決定籽粒大小的一個重要因素,miR1137通過靶向擴(kuò)展蛋白基因膨脹素,參與了小麥早期的籽粒膨大過程[44]。在水稻中,Peng等[47]發(fā)現(xiàn)miR1867的靶基因是編碼淀粉合成酶蛋白的基因,通過參與淀粉合成通路,進(jìn)而調(diào)控水稻灌漿率。而Li等[48]的研究發(fā)現(xiàn)在玉米中,miR167在營養(yǎng)貯藏階段可能通過調(diào)節(jié)單銅氧化酶(monocopper oxidase,MCO)基因的表達(dá)參與種子成熟代謝的調(diào)控,miR528可能通過調(diào)節(jié)抗凍蛋白(antifreeze protein,AFP)基因的表達(dá)參與調(diào)控營養(yǎng)貯藏過程中的逆境反應(yīng)。此外,在非谷類植物擬南芥中發(fā)現(xiàn),miR1855的候選靶基因編碼的磷酸丙糖轉(zhuǎn)運體(triose phosphate translocator,TPT)是一種存在于擬南芥葉綠體內(nèi)膜的完整膜蛋白,它負(fù)責(zé)輸出光合作用過程中產(chǎn)生的所有碳水化合物,miR1855可抑制TPT從而使淀粉合成增加[49]。參與調(diào)控胚乳中淀粉合成的miRNAs及其功能見圖1。
在被子植物中,無論是單子葉植物還是雙子葉,都有著典型的雙受精現(xiàn)象,即每個萌發(fā)的花粉管中攜帶2枚精子,到達(dá)胚珠后釋放出來,一個精子與卵細(xì)胞結(jié)合形成受精卵,另一個精子與2個極核結(jié)合形成受精極核。以玉米為例,玉米的胚是在雙受精過程中,由其中1個精子與卵細(xì)胞結(jié)合形成,其位于籽?;撞康慕S側(cè)。授粉后40 h左右,受精卵開始了第1次細(xì)胞分裂,形成1個頂細(xì)胞和1個近珠孔端的基細(xì)胞,頂細(xì)胞經(jīng)過幾次的細(xì)胞分裂,逐漸發(fā)育成球狀胚體,近珠孔端的基細(xì)胞則經(jīng)分裂發(fā)育成為胚柄。3~5 DAP,胚形成1個圓球形的上部、胚體以及1個錐形下部[50]。6~8 DAP,胚的一側(cè)開始分化,出現(xiàn)了莖端生長點和根端生長點,另一側(cè)已有盾片發(fā)育跡象。9~12 DAP,開始分化出莖尖分生組織(shoot apical meristem,SAM)和根尖分生組織(root apical meristem,RAM),它們周圍形成了胚芽鞘和胚根鞘;另外,單一的玉米子葉在胚胎的背面開始生長擴(kuò)大[51]。12 DAP時,便清晰可見生長錐,此時是生長最快的時期,并且胚芽鞘由于快速生長與盾片分離,胚柄變短,開始產(chǎn)生葉原基。之后,胚柄退化,胚根與胚芽鞘分化明顯,胚根伸長,并分化出次生胚根,胚葉數(shù)不斷增加;12~20 DAP是胚發(fā)育最快的時期,基本完成了各種器官的分化;45 DAP,胚便發(fā)育成熟,呈現(xiàn)出5~7片胚葉。胚發(fā)育過程中胚柄的退化、盾片與胚芽鞘之間凹陷的產(chǎn)生是細(xì)胞的一種程序性死亡[52-53]。
miRNA對不同物種的胚的發(fā)育調(diào)控都起著關(guān)鍵的作用。miR156、miR172及其靶基因SBP-Like(Squamosa promoter binding protein-like, SPL)和AP2(Apetala 2)編碼的轉(zhuǎn)錄因子在植物胚胎發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用[54]。在油菜中,miR156家族的大多數(shù)成員在胚子葉中高度表達(dá),并且在種子成熟過程中它們的表達(dá)逐漸增加;與之相反,一些miR156變異體則在胚乳和種皮中特異性表達(dá),并在種子成熟過程中降低[55]。在玉米中發(fā)現(xiàn)miR172在種子發(fā)育早期的胚乳中優(yōu)先表達(dá),在隨后的成熟過程中表達(dá)下調(diào),而隨著籽粒發(fā)育,miR156的表達(dá)量則上升,它們的靶基因AP2和SPL分別以互補模式表達(dá)[56]。玉米Cg1(Corngrass1)基因編碼1個miRNA,促進(jìn)幼年細(xì)胞壁形態(tài)建成,而此基因突變后的突變體的miR156水平升高、miR172水平降低,出現(xiàn)發(fā)育過度、幼期特征延長和延遲開花等表型[57]。此外,Huang等[55]研究發(fā)現(xiàn),miR159優(yōu)先表達(dá)于油菜子葉和下胚軸,推測miR159限制了胚胎中的赤霉素(gibberellins,GAs)效應(yīng),主要影響子葉以及下胚軸組織。Li等[48]在未成熟的玉米籽粒中鑒定到111個保守的miRNA(來自40個miRNA家族)和196個新的miRNA(來自162個miRNA家族),發(fā)現(xiàn)miR169、miR171、miR393等高表達(dá)的保守miRNA家族可能在玉米籽粒的胚胎發(fā)育中參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控和形態(tài)發(fā)生。NAM(no apical meristem)是miR164的靶基因,miR164在玉米籽粒發(fā)育早期表達(dá)較高,而NAM表達(dá)較低,miR164的早期積累表明,它可能通過沉默NAM基因在玉米籽粒的胚胎發(fā)育中發(fā)揮作用。另外,在玉米籽粒發(fā)育后期miR528的積累,推測miR528可能通過調(diào)節(jié)AFP基因的表達(dá)參與調(diào)控營養(yǎng)貯藏過程中的逆境反應(yīng)[48]。上述參與調(diào)控胚的發(fā)育的miRNAs及其功能見圖1。
本文綜述了近年來miRNA參與調(diào)控植物胚和胚乳發(fā)育的相關(guān)研究進(jìn)展。miRNA作為重要的調(diào)控因子,從2002年首次在植物中發(fā)現(xiàn)至今,研究人員從生物合成與作用機制、進(jìn)化與變異、檢測與鑒定技術(shù)、生物學(xué)功能及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等多個方面對植物miRNA進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,研究對象也從模式植物逐漸轉(zhuǎn)向作物,如水稻、小麥、馬鈴薯、大豆、玉米、番茄等。迄今為止,已經(jīng)解析了不少具有重要生物學(xué)功能的miRNA-靶基因調(diào)控模塊,如在水稻中鑒定了osa-miR156-OsSPL、osa-miR159-OsGAMYB、osa-miR160-OsARF等至少33個模塊參與了水稻葉片發(fā)育、莖的伸長、開花時間、非生物與生物逆境響應(yīng)、籽粒發(fā)育等幾乎全生育期的調(diào)控;小麥中有tae-miR159-TaGAMYB、tae-miR164-TaNAC21/22、tae-miR408-TaCLP1等[58-59]。在玉米中目前共鑒定了5對模塊,包括zma-miR156-tga1、zma-miR164-ZmNAC1、zma-miR166-rld1、zma-miR172-gl15以及zma-miR172-ids1,分別參與調(diào)控幼年到成年期轉(zhuǎn)變、苞葉發(fā)育、側(cè)根發(fā)育、葉片極性和性別決定等生物學(xué)過程,但目前尚未見有與玉米籽粒發(fā)育相關(guān)miRNA-靶基因調(diào)控模塊被鑒定[59]。
本課題組前期對玉米籽粒發(fā)育過程中的miRNA進(jìn)行挖掘和鑒定[40],發(fā)現(xiàn)有包括zma-miR166、zma-miR156、zma-miR171、zma-miR167、zma-miR169和zma-miR399等6個miRNA家族成員在玉米籽粒中優(yōu)勢表達(dá)。其中miR169是植物中家族成員最多的保守miRNA,發(fā)現(xiàn)至少有9個成熟的miR169在玉米籽粒中優(yōu)勢表達(dá),并且通過PromiR169::GUS轉(zhuǎn)基因玉米檢測了在籽粒發(fā)育過程中zma-miR169家族成員的表達(dá)模式,組織化學(xué)分析結(jié)果表明zma-miR169b、zma-miR169c和zma-miR169i 主要在花梗、胎盤、基部胚乳轉(zhuǎn)移層以及胚和胚乳中表達(dá),提示miR169主要在營養(yǎng)轉(zhuǎn)運和籽粒發(fā)育過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用。下一步將重點研究其參與調(diào)控玉米籽粒發(fā)育的分子機制,綜合轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)、生物信息學(xué)技術(shù)等方法,確定miR169調(diào)控的下游靶基因及其功能進(jìn)行分析和實驗的驗證,闡明其內(nèi)在的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),將有望為玉米的遺傳改良和種質(zhì)資源創(chuàng)新提供新的思路。