李建建 賀宸靖 黃小平 向太和

（1.杭州師范大學(xué)哈爾科夫?qū)W院，杭州 311121；2.杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，杭州 311121）

全基因組和轉(zhuǎn)錄組分析表明，超過(guò)75%的人類基因組和50%的擬南芥基因組轉(zhuǎn)錄成RNA；其中，mRNAs 僅占約1.5%，更多的是缺乏蛋白質(zhì)翻譯潛力的非編碼RNAs（non-coding RNAs，ncRNAs）。非編碼RNAs 包括管家ncRNAs（rRNAs，tRNAs，snRNAs 和snoRNAs）和調(diào)控ncRNAs；早期研究更多關(guān)注在真核生物轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控方面發(fā)揮功能的microRNAs 和小干擾RNAs［1-2］。但是，近期研究鑒定了越來(lái)越多的長(zhǎng)鏈非編碼RNAs（long noncoding RNAs，lncRNAs），其在調(diào)控真核生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程發(fā)揮重要作用［3］。

由于lncRNAs 表達(dá)水平和保守性低，一度被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄副產(chǎn)物。伴隨高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)中心法則和基因調(diào)控理論受到前所未有的挑戰(zhàn)，許多具有關(guān)鍵調(diào)控功能的lncRNAs 被鑒定。相對(duì)動(dòng)物lncRNAs，植物lncRNAs 的研究仍處于探索階段。本文主要針對(duì)植物lncRNAs 的來(lái)源及分類、作用機(jī)制、植物中已鑒定的lncRNAs 及其生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，為lncRNAs 在作物生產(chǎn)育種中的應(yīng)用研究提供參考。

1 lncRNAs 的來(lái)源及分類

與蛋白編碼基因mRNAs 一樣，大多數(shù)lncRNAs具有5'-帽子、3'-poly（A）尾巴和選擇性剪接位點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。另外，lncRNAs 主要被RNA 聚合酶Pol II轉(zhuǎn)錄，少數(shù)也可由RNA Pol IV 和Ⅴ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生。但是，目前對(duì)于lncRNAs 的起源尚無(wú)明確定論，其可能的來(lái)源主要有以下5 種：（1）蛋白編碼基因在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生中斷形成lncRNA；（2）非編碼基因在復(fù)制過(guò)程發(fā)生反移位形成lncRNA；（3）在染色質(zhì)重組過(guò)程中，未轉(zhuǎn)錄基因與其他獨(dú)立基因形成串聯(lián)，產(chǎn)生lncRNA；（4）在基因組序列中插入轉(zhuǎn)座子形成lncRNA；（5）局部復(fù)制子結(jié)構(gòu)發(fā)生串聯(lián)產(chǎn)生lncRNA。

根據(jù)lncRNA 與蛋白編碼基因的相對(duì)位置，可以將lncRNA 分為5 類，包括正義lncRNA（sense lncRNA）、反義lncRNA（antisense lncRNA）、基因間lncRNA（intergenic lncRNA）、內(nèi)含子lncRNA（intronic lncRNA）和雙向lncRNA（bidirectional lnc-RNA）［2］。

2 lncRNAs 的作用機(jī)制

大多數(shù)lncRNA 沒(méi)有蛋白質(zhì)編碼能力，但有些lncRNA 具有小的開(kāi)放閱讀框，能夠編碼短肽。另外，lncRNA 可以通過(guò)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、組蛋白修飾、RNA加工、以及與小RNA 作用發(fā)揮功能。有文獻(xiàn)報(bào)道lncRNA 主要以信號(hào)分子、誘餌分子、引導(dǎo)分子和支架分子4 種形式參與生物學(xué)過(guò)程（圖1）［4］。

圖1 lncRNA 四種作用機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of the four archetypes of lncRNA mechanism

在春化作用研究中，開(kāi)花基因FLC的表達(dá)受lncRNA（COOLAIR和COLDAIR） 的調(diào)控，而COLDAIR的表達(dá)變化影響擬南芥應(yīng)答春化［5］；另外，有研究報(bào)道了一個(gè)光敏育性相關(guān)lncRNALDMAR，其序列產(chǎn)生C-G 的單堿基突變導(dǎo)致其表達(dá)水平降低，花藥PCD 提前，造成光敏雄性不育［6］，表明lncRNA 是植物生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)信號(hào)標(biāo)志。

LncRNA 作為誘餌分子競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合RNA 結(jié)合蛋白調(diào)控目的基因的表達(dá)［4］。此外，lncRNA 作為miRNA 的偽靶標(biāo)基因與miRNA 相互作用調(diào)控靶基因的表達(dá)［7］。擬南芥lncRNAIPS1競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miRNA399 造成其靶基因PHO2大量積累，降低特異性磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因Pht1；8和Pht1；9的表達(dá)，導(dǎo)致根部對(duì)磷吸收減少［8］。

LncRNA 作為引導(dǎo)分子指導(dǎo)核糖核蛋白復(fù)合體定位在特定位點(diǎn)。LncRNA 通過(guò)cis-/trans-調(diào)控基因表達(dá)。研究表明苜蓿根瘤基因Enod40編碼的lncRNA 能直接與MtRBP1 蛋白結(jié)合，參與MtRBP1從細(xì)胞核至細(xì)胞質(zhì)中的定位過(guò)程［9］。

除了上述3 種作用形式之外，lncRNA 還可以作為骨架分子結(jié)合不同蛋白質(zhì)或者轉(zhuǎn)錄因子形成蛋白復(fù)合體，調(diào)控基因上下游效應(yīng)元件從而激活或者抑制基因轉(zhuǎn)錄。比如，植物lncRNA 與AGO4 蛋白互相作用，指導(dǎo)siRNA-AGO4 復(fù)合體轉(zhuǎn)移至相關(guān)染色質(zhì)目的位點(diǎn)進(jìn)行RNA 介導(dǎo)的DNA 甲基化。這類lncRNA 功能復(fù)雜，尚不清楚這些骨架復(fù)合體如何實(shí)現(xiàn)組織和調(diào)控。

3 植物lncRNAs 的功能

3.1 lncRNAs調(diào)控植物營(yíng)養(yǎng)器官發(fā)育

根、莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官參與維持植物生命活動(dòng)。有研究報(bào)道，楊樹(shù)Lnc12和LncWOX11調(diào)控相關(guān)mRNAs 的表達(dá)從而抑制楊樹(shù)不定根的形成與發(fā)育［10］。在擬南芥中，lncRNAENOD40或lnc351與核斑RNA 結(jié)合蛋白AtNSRs 結(jié)合，調(diào)控NSR 對(duì)下游生長(zhǎng)素應(yīng)答基因的可變剪接，參與側(cè)根發(fā)育［11］。另外，在大豆［12］、水稻［13］、苜蓿［14-15］中均鑒定了一種與根瘤特異性表達(dá)和共生固氮根瘤形成有關(guān)的lncRNAENOD40。

與同期野生型棉花相比，過(guò)表達(dá)靶基因whole_GLEAN_10025325植株的纖維細(xì)胞含量減少，韌皮纖維明顯增多；將lncRNALTCONS_00034183及其靶基因共轉(zhuǎn)化發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株纖維細(xì)胞含量減少，纖維含量減少［16］。有研究分析不同發(fā)育時(shí)期棉花纖維轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)鑒定了5 個(gè)優(yōu)勢(shì)表達(dá)lncRNAs，其中l(wèi)ncRNAGhir_A01G011040-RNAi 轉(zhuǎn)基因株系的纖維顯著變短［17］。另外，Zhao 等［18］發(fā)現(xiàn)異源四倍體棉花A 亞基因組中l(wèi)ncRNAXLOC_409583在多倍體化后被激活并參與調(diào)控棉花株高。

在紅苞鳳梨中，lncRNAlncABCG11順式調(diào)控PORB的表達(dá)調(diào)控葉色［19］。Wang 等［20］鑒定了一個(gè)持續(xù)紅光條件下促進(jìn)擬南芥光形態(tài)發(fā)生的lncRNAHID1，其能和抑制光形態(tài)的光敏色素互作因子PIF3相互作用；在hid1突變體中HID1敲低表達(dá)導(dǎo)致PIF3顯著上調(diào)表達(dá)，促進(jìn)下胚軸的伸長(zhǎng)發(fā)育。另外，Liu 等［21］鑒定了一種由R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子OsMYB60反義鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的反義lncRNATWISTED LEAF（TL），TL-RNAi 株系和過(guò)表達(dá)OsMYB60轉(zhuǎn)基因株系葉片扭曲，在TL-RNAi 轉(zhuǎn)基因株系中OsMYB60顯著上調(diào)表達(dá)，表明反義lncRNATL順式調(diào)控OsMYB60參與葉形態(tài)發(fā)育。植物營(yíng)養(yǎng)器官的正常發(fā)育被認(rèn)為是轉(zhuǎn)向生殖發(fā)育的基礎(chǔ)，上述研究揭示了lncRNAs 調(diào)控植物營(yíng)養(yǎng)器官的重要作用。

3.2 lncRNAs調(diào)控植物生殖器官發(fā)育

3.2.1 lncRNAs 調(diào)控植物開(kāi)花 成花轉(zhuǎn)變是植物生殖發(fā)育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，受到包括春化作用在內(nèi)的多種途徑調(diào)控。在春化過(guò)程中，開(kāi)花抑制因子FLC 的表達(dá)受表觀遺傳學(xué)負(fù)向調(diào)控，促進(jìn)FLC上H3K4me3 去組蛋白修飾和H3K27me3 組蛋白修飾，抑制FLC 的表達(dá)，解除其對(duì)下游開(kāi)花基因的抑制作用實(shí)現(xiàn)開(kāi)花轉(zhuǎn)變［22］。研究證實(shí)，3 個(gè)擬南芥lncRNAs（COOLAIR、COLDAIR、COLDWRAP）均能調(diào)控FLC的表達(dá)參與開(kāi)花［5，23-24］。

Zhao 等［3］鑒定了一個(gè)自然反義長(zhǎng)鏈非編碼RNAMAS，其轉(zhuǎn)錄于FLC家族成員基因MAF4的反義鏈；相較于野生型，轉(zhuǎn)基因株系maf4-1及amiRMAS-1/2均提前開(kāi)花。在擬南芥中，編碼核外泌體組分的兩個(gè)基因AtRRP6L1和AtRRP6L2突變導(dǎo)致關(guān)鍵開(kāi)花抑制因子FLC去阻遏，促使早開(kāi)花生態(tài)型擬南芥延遲開(kāi)花；此外，AtRRP6L 蛋白質(zhì)影響lncRNAASL的表達(dá)進(jìn)而負(fù)調(diào)控FLC，影響植物開(kāi)花進(jìn)程［25］。全基因組分析鑒定了14 個(gè)擬南芥反義lncRNAs，其中l(wèi)ncRNA npc48 過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系開(kāi)花推遲［26］。Henriques 等［27］鑒定了CDF5的天然反義轉(zhuǎn)錄本lncRNAFLORE；其中，CDF5 蛋白直接抑制FT基因的轉(zhuǎn)錄從而延遲開(kāi)花，F(xiàn)LORE通過(guò)抑制CDF1、CDF3和CDF5等幾個(gè)基因和增加FT的轉(zhuǎn)錄促進(jìn)開(kāi)花。

在六倍體小麥中，一個(gè)轉(zhuǎn)錄自TaVRN1正義鏈的lncRNAVAS過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因冬小麥提前開(kāi)花［28］。開(kāi)花是高等植物由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，上述研究暗示lncRNA 在植物開(kāi)花方面的重要性。

3.2.2 lncRNAs 調(diào)控有性生殖及花粉發(fā)育 花粉發(fā)育是植物生殖發(fā)育過(guò)程中至關(guān)重要的部分。Fan 等［29］鑒定了一個(gè)光敏不育性位點(diǎn)Pms1編碼一個(gè)優(yōu)先在水稻幼穗中表達(dá)的lncRNAPMS1T，其與miR2118結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)日照條件下優(yōu)先在光敏雄性不育水稻積累的21 nt phasiRNAs，進(jìn)而參與水稻生殖發(fā)育。另外，LDMAR次級(jí)結(jié)構(gòu)的改變會(huì)增強(qiáng)LDMAR啟動(dòng)子區(qū)域甲基化修飾水平，導(dǎo)致LDMAR的轉(zhuǎn)錄顯著受阻，最終造成花藥過(guò)早程序性細(xì)胞死亡，形成光敏雄性不育［6］。Zhang 等［30］對(duì)水稻花藥、雌蕊和授粉后5 d 的種子進(jìn)行高通量測(cè)序，鑒定了多個(gè)水稻生殖相關(guān)的lncRNAs；其中l(wèi)ncRNAXLOC_057324突變體開(kāi)花提前，育性顯著降低。

Song 等［31-32］發(fā)現(xiàn)lncRNABcMF11表達(dá)水平降低造成異常的花粉發(fā)育，包括絨氈層降解、小孢子非同步分離及花粉粒的異常發(fā)育，最終導(dǎo)致敗育表型。在菜心研究中，過(guò)表達(dá)lncRNABrLMaP導(dǎo)致花粉發(fā)育異常［33］。Huang 等［34］對(duì)5 個(gè)發(fā)育階段的油菜進(jìn)行RNA-Seq 分析，鑒定了12 051 個(gè)lncRNAs；其中l(wèi)ncRNAsbra-eTM160-1和bra-eTM160-2是bramiR160-5p的潛在eTM，其過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系花器官外表正常，但花藥內(nèi)一半花粉粒小且皺縮，沒(méi)有育性、無(wú)細(xì)胞核及花粉內(nèi)壁缺失。

在玉米花藥中，敲低lncRNAZm401顯著影響與花粉發(fā)育相關(guān)基因（ZmMADS2、MZm3-3和ZmC5）的表達(dá)，導(dǎo)致小孢子和絨毛層的發(fā)育異常，最終造成玉米雄性不育［35］。上述研究結(jié)果表明，現(xiàn)已研究的lncRNAs 與植物有性生殖密切相關(guān)，相信進(jìn)一步的研究將發(fā)現(xiàn)更多調(diào)控植物生殖的lncRNA。

3.2.3 lncRNAs 調(diào)控植物成熟與衰老 除了參與花粉發(fā)育，lncRNA 也調(diào)控植物果實(shí)成熟與衰老。Li 等［36］采用CRISPR-Cas9 技術(shù)敲除lncRNA1459導(dǎo)致西紅柿果實(shí)成熟進(jìn)程受到抑制，乙烯和番茄紅素的產(chǎn)生受抑制，大量乙烯和類胡蘿卜素相關(guān)基因表達(dá)水平降低，果實(shí)成熟相關(guān)基因表達(dá)水平顯著性改變。此外，研究報(bào)道西紅柿lncRNA1840沉默株系的果實(shí)明顯延遲成熟［37］。

眾所周知，水稻高產(chǎn)和早熟是一對(duì)影響水稻產(chǎn)量提高的重要矛盾。Fang 等［38］鑒定了一個(gè)OsSOC1基因的長(zhǎng)非編碼RNA 反義轉(zhuǎn)錄本Ef-cd；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Ef-cd能夠促進(jìn)氮利用及提高光合作用速率，進(jìn)而參與調(diào)控水稻成熟。另外，Wang 等［39］從一個(gè)水稻產(chǎn)量性狀相關(guān)基因簇LRK 上游鑒定了一個(gè)反義lncRNALAIR；水稻LAIR過(guò)表達(dá)引起LRK基因簇部分基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)，改變LRK1基因組位點(diǎn)的組蛋白修飾狀態(tài)，導(dǎo)致水稻增產(chǎn)。

田蕓蕓［40］對(duì)河套密瓜4 個(gè)發(fā)育時(shí)期的中果皮進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，鑒定了1 601 個(gè)差異表達(dá)lncRNAs；其中LNC-003610超表達(dá)株系的成熟天數(shù)較對(duì)照組推遲約7 d，表明LNC-003610是果實(shí)成熟的負(fù)調(diào)控因子。

有研究報(bào)道，lncRNA 作為一類新型非編碼RNA，其競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miRNA 和circRNA，進(jìn)而調(diào)控mRNA 的表達(dá)水平。本課題組前期全基因組研究鑒定了水稻葉衰老非編碼lncRNAs 及其共表達(dá)靶基因mRNAs；探明衰老相關(guān)lncRNAs 既可通過(guò)調(diào)控其靶基因發(fā)揮功能也可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)源性RNA 網(wǎng)絡(luò)調(diào)控mRNAs 發(fā)揮功能；采用過(guò)表達(dá)和CRISPR-Cas9 技術(shù)的轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)已完成，功能機(jī)制被進(jìn)一步闡明［41］。

3.2.4 lncRNAs 調(diào)控種子及胚乳發(fā)育 種子休眠是植物生命循環(huán)中最關(guān)鍵的過(guò)渡時(shí)期之一，該時(shí)期受DOG1基因控制。Fedak 等［42］鑒定了一個(gè)反義lncRNADOG1，命名為asDOG1；在種子成熟階段，asDOG1順式負(fù)調(diào)控種子休眠導(dǎo)致DOG1等位基因特異性抑制并促進(jìn)萌發(fā)。

此外，中山大學(xué)陳月琴團(tuán)隊(duì)鑒定了一個(gè)母本來(lái)源、調(diào)控胚乳發(fā)育的lncRNAMISSEN；功能研究顯示，超表達(dá)MISSEN 導(dǎo)致合胞體階段游離胚乳細(xì)胞核數(shù)目減少、聚集以及后續(xù)細(xì)胞化受阻；而MISSENRNAi 導(dǎo)致胚乳細(xì)胞化的進(jìn)程更快，導(dǎo)致種子出現(xiàn)明顯的“大肚子”表型［43］，表明lncRNA 在胚乳發(fā)育過(guò)程發(fā)揮重要作用。

3.3 lncRNAs應(yīng)答植物非生物脅迫

3.3.1 lncRNAs 應(yīng)答植物鹽脅迫 植物在整個(gè)生命周期會(huì)遭受眾多不利的環(huán)境，包括鹽脅迫、干旱脅迫、低溫脅迫、營(yíng)養(yǎng)脅迫等過(guò)程。在磷缺乏條件下，采用RNAi 技術(shù)敲低cis-NATPHO1；2表達(dá)導(dǎo)致PHO1；2 蛋白減少，損害磷酸鹽從根部向地上部的運(yùn)輸，導(dǎo)致種子產(chǎn)量減少；相反，在磷供應(yīng)充足條件下，trans-NATPHO1；2組成型過(guò)表達(dá)導(dǎo)致PHO1；2表達(dá)水平顯著增加；上述結(jié)果表明cis-NATPHO1；2在促進(jìn)PHO1；2 蛋白翻譯、維持磷酸鹽穩(wěn)態(tài)及植物健康方面發(fā)揮重要作用［44］。lncRNAMt4是苜蓿中最早被鑒定的磷酸鹽饑餓誘導(dǎo)基因，該基因在Pi 饑餓期間在根中下調(diào)表達(dá)［45-46］。在低磷脅迫下，擬南芥中的lncRNAIPS1充當(dāng)miR399的靶標(biāo)，競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR399，增加miR399 靶基因PHO2的表達(dá)，維持植株在低磷狀態(tài)下的生長(zhǎng)［8］。與IPS1一樣，AT4過(guò)度表達(dá)導(dǎo)致Pi 積累減少，同時(shí)IPS1和AT4過(guò)度表達(dá)均顯著抑制了miR-399對(duì)PHO2的切割，表明IPS1和AT4通過(guò)抑制miR-399的活性維持磷酸鹽穩(wěn)態(tài)［8］。與野生型相比，過(guò)表達(dá)npc536擬南芥轉(zhuǎn)基因株系在鹽脅迫條件下促進(jìn)根系生長(zhǎng)［26］。

Zhang 等［47］發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)lncRNA973的擬南芥種子萌發(fā)率提高、鮮重增加、根長(zhǎng)增加；采用病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)敲低lncRNA973的轉(zhuǎn)基因株系葉片枯萎、黃化。此外，Liu 等［48］鑒定了一個(gè)擬南芥lncRNAT5120，過(guò)量表達(dá)T5120轉(zhuǎn)基因擬南芥促進(jìn)硝酸鹽應(yīng)答、增強(qiáng)硝酸鹽同化、提高生物量和根系發(fā)育；T5120可部分恢復(fù)硝酸鹽調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子NLP7突變株的硝酸鹽信號(hào)和同化表型；上述結(jié)果表明T5120參與調(diào)控硝酸鹽脅迫響應(yīng)。

在鹽脅迫條件下，過(guò)表達(dá)lncRNAThSAIR6顯著減輕檉柳細(xì)胞的受損程度，增強(qiáng)POD 和SOD 酶活性，降低植株體內(nèi)H2O2和O2-的含量，提高活性氧的清除能力，有效提高剛毛檉柳的耐鹽性［49］。除此之外，過(guò)表達(dá)lncRNAThSAIR1-5轉(zhuǎn)基因株系同樣提高剛毛檉柳的耐鹽性［50］?？傊?，一定程度的鹽脅迫會(huì)引起滲透脅迫和次生氧化脅迫，導(dǎo)致植物養(yǎng)分失衡及抑制植物生長(zhǎng)，表明lncRNAs 在鹽脅迫方面的作用至關(guān)重要。

3.3.2 lncRNAs 應(yīng)答植物溫度脅迫 溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的最重要的環(huán)境因子之一，溫度的細(xì)微變化能極大地影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。

研究發(fā)現(xiàn)，超表達(dá)lncRNAHAL6擬南芥的萌發(fā)率和存活率顯著高于野生型，顯著增強(qiáng)高溫脅迫抗性；反之，RNAi 株系對(duì)高溫脅迫敏感，表明lncRNAHAL6參與調(diào)控植物高溫脅迫［51］。在擬南芥中，熱激轉(zhuǎn)錄因子HSFB2a過(guò)表達(dá)降低反義lncRNAasHSFB2表達(dá)水平，導(dǎo)致生殖發(fā)育階段的擬南芥生物量提高；反之，asHSFB2過(guò)表達(dá)抑制HSFB2a表達(dá)，導(dǎo)致生物量降低［52］。除此之外，在擬南芥基因組冷敏感區(qū)域鑒定了一個(gè)lncRNASVALKA，過(guò)表達(dá)SVALKA抑制CBF1表達(dá)調(diào)控植物的耐寒性［53］，這些研究揭示了lncRNAs 在溫度脅迫響應(yīng)過(guò)程的重要作用。

3.3.3 lncRNAs 應(yīng)答植物干旱脅迫 水分缺失是植物生長(zhǎng)的主要限制因素之一。植物遭受干旱脅迫時(shí)，消耗量大于吸收量，植物細(xì)胞內(nèi)水勢(shì)和膨壓降低，導(dǎo)致葉片凋萎，甚至植株死亡。

與野生型擬南芥相比，lincRNA13853功能缺失突變體對(duì)外源ABA 的敏感性減弱、耐旱性降低、失水率加快及氣孔孔徑比增大；過(guò)表達(dá)lincRNA13853植株的氣孔孔徑比減??；上述結(jié)果表明lincRNA可能通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔形態(tài)影響蒸騰速率，最終改變植物的耐旱性［54］。擬南芥過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系A(chǔ)t5NC056820-3、At5NC056820-7和At5NC056820-8在干旱脅迫下長(zhǎng)勢(shì)更好，游離脯氨酸含量是野生型的2-2.5 倍；表明lncRNAAt5NC056820在一定程度上可以提高擬南芥的耐旱性［55］。擬南芥lncRNADRIR在非脅迫條件下表達(dá)水平很低，在干旱脅迫下被顯著激活；過(guò)表達(dá)lncRNADRIR轉(zhuǎn)基因株系提高干旱脅迫抗性［56］。這些研究表明，lncRNAs 在植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)中起著不可忽視的作用。

3.3.4 lncRNAs 應(yīng)答植物其他非生物脅迫 除了鹽脅迫、高/低溫脅迫和干旱脅迫外，植物lncRNAs還參與了其他影響生長(zhǎng)發(fā)育的脅迫應(yīng)答。Sun 等［57］鑒定了一個(gè)受Fe 缺乏誘導(dǎo)表達(dá)的蘋果lncRNAMSTRG.85814；其正向促進(jìn)SAUR32的表達(dá)并激活質(zhì)子分泌以應(yīng)答Fe 缺乏。

Wu 等［58］發(fā)現(xiàn)AtR8響應(yīng)低氧脅迫和水楊酸脅迫；在低氧脅迫下，AtR8表達(dá)量降低，而在水楊酸脅迫下表達(dá)量升高。進(jìn)一步的研究表明，在擬南芥atr8突變體中，低濃度SA 導(dǎo)致根長(zhǎng)顯著變短［59］。

植物激素赤霉素在植物體內(nèi)發(fā)揮重要的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)作用。王亞麗［60］鑒定了一個(gè)赤霉素響應(yīng)lncRNAGARR2，采用CRISPR-Cas9 技術(shù)獲得的轉(zhuǎn)基因株系較野生型株高和第二葉鞘長(zhǎng)極顯著增加，籽粒長(zhǎng)和籽粒寬極顯著降低。

在真核生物基因組中，轉(zhuǎn)座子元件（transposable elements，TEs）廣泛存在。有研究報(bào)道擬南芥TElincRNA 11195突變體對(duì)ABA 敏感性降低，具有更長(zhǎng)的根系及更高的地上部生物量［61］。

另外，擬南芥APOLO-RNAi 轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)為延遲的向地性響應(yīng)，在不影響側(cè)根密度條件下有更長(zhǎng)的根系［62］。

3.4 lncRNAs應(yīng)答植物生物脅迫

植物除了受到非生物脅迫，而且還會(huì)受到生物脅迫的作用，包括細(xì)菌、真菌、病毒和害蟲(chóng)的侵害。

有研究報(bào)道，過(guò)表達(dá)lncRNA16397 和SIGRX的轉(zhuǎn)基因番茄在感染馬鈴薯晚疫?。≒hytophthora infestans，P.infestans）后的癥狀和活性氧積累均較野生型更輕、更低，表現(xiàn)為對(duì)P.infestans增強(qiáng)的抗性［63］。過(guò)表達(dá)lncRNA23468的轉(zhuǎn)基因番茄中miR482b 表達(dá)水平顯著降低，miR482b 靶基因NBSLRRs顯著上調(diào)表達(dá)，導(dǎo)致對(duì)P.infestans抗性增強(qiáng)；反之，沉默lncRNA23468轉(zhuǎn)基因番茄的抗性減弱［64］。經(jīng)啟動(dòng)子-β-GUS 融合和酵母單雜交試驗(yàn)證明lncRNA33732能與WRKY1 啟動(dòng)子元件相互作用，激活lncRNA33732的表達(dá)；lncRNA33732過(guò)表達(dá)和沉默的轉(zhuǎn)基因株系誘導(dǎo)RBOH基因的表達(dá)，增加H2O2的積累，導(dǎo)致對(duì)P.infestans抗性增強(qiáng)；當(dāng)RBOH基因表達(dá)受到抑制時(shí)，H2O2積累降低，對(duì)病原菌的抗性減弱［65］。過(guò)表達(dá)lncRNA39026轉(zhuǎn)基因番茄表現(xiàn)的增強(qiáng)P.infestans抗性；相反，沉默lncRNA39026的轉(zhuǎn)基因株系抗性減弱［66］。

番茄黃化曲葉病毒（TYLCV）是一種通過(guò)煙粉虱快速傳播的毀滅性番茄病害。Wang 等［67］鑒定了一個(gè)番茄lncRNAS-slylnc0957，其沉默導(dǎo)致敏感番茄植株對(duì)TYLCV 的抗性增強(qiáng)。此外，番茄lncRNASILNR1不僅影響番茄葉片發(fā)育，而且在番茄TYLCV感染期間，與TYLCV 的非編碼基因間區(qū)衍生的病毒小干擾RNA 相互作用，從而調(diào)控疾病防御［68］。

另外，Yu 等［69］用增強(qiáng)子系統(tǒng)構(gòu)建的T-DNA 插入株系表現(xiàn)增強(qiáng)的白葉枯抗性。Zhu 等［70］用尖孢鐮刀菌侵染擬南芥，發(fā)現(xiàn)lncRNATAR-197轉(zhuǎn)基因株系發(fā)病更早且癥狀更嚴(yán)重，TAR-212轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)增強(qiáng)的疾病防御抗性。植物免疫應(yīng)答是一個(gè)涉及基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的復(fù)雜過(guò)程。Seo 等［71］采用人工miRNA 技術(shù)敲低lncRNAELENA1，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)為PR1 下調(diào)表達(dá)及對(duì)番茄DC3000細(xì)菌病原體丁香假單胞菌更敏感；相反，過(guò)表達(dá)ELENA1的轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)為PR1 表達(dá)水平上調(diào)及增強(qiáng)的病原菌抗性。

Gao 等［72］發(fā)現(xiàn)皺縮病毒侵染lincRNALINCAP2過(guò)表達(dá)植株后其靶基因AP2 下調(diào)表達(dá)，發(fā)病癥狀更嚴(yán)重，包括花結(jié)構(gòu)變形。Zhang 等［73］鑒定了兩個(gè)棉花lncRNAsGhlncNAT-ANX2和GhlncNAT-RLP7，沉默轉(zhuǎn)基因幼苗表現(xiàn)為增強(qiáng)的黃萎病和灰霉病抗性。總之，作為植物防御機(jī)制的一部分，lncRNAs 在植物病原體等生物響應(yīng)方面發(fā)揮重要作用。

本文綜述了植物lncRNAs 發(fā)揮的主要生物學(xué)功能并總結(jié)了轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證的lncRNAs（表1）。

表1 參與植物發(fā)育和脅迫應(yīng)答的已功能驗(yàn)證的lncRNAsTable 1 Functional validated lncRNAs involving in plant development and stress response

4 展望

隨著高通量測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的植物和動(dòng)物lncRNA 被廣泛鑒定。相較于早期研究，lncRNA 并不被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄副產(chǎn)物，而是能在表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄調(diào)控及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等層面參與基因表達(dá)調(diào)控的重要基因組分。眾所周知，lncRNA 參與了大量生物學(xué)過(guò)程，包括生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫、免疫反應(yīng)、疾病防御等。然而，與mRNA 相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)相比，lncRNA 植物相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及其注釋還不夠完全，對(duì)其進(jìn)行深入分析的難度較大；除此之外，lncRNA 的研究還存在一些問(wèn)題：比如，lncRNA 作用機(jī)制復(fù)雜；許多l(xiāng)ncRNA 的生物學(xué)功能無(wú)法闡明；非編碼轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是否有功能依然無(wú)法判斷等。

為了更好闡明lncRNA 的生物學(xué)功能和作用機(jī)制，可以從以下思路入手：采用納米孔測(cè)序技術(shù)獲得lncRNA 全長(zhǎng)、通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳組建立lncRNA 與染色質(zhì)之間的聯(lián)系、對(duì)lncRNA 靶基因進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行功能驗(yàn)證；目前，采用過(guò)表達(dá)和CRISPR/Cas9 技術(shù)對(duì)lncRNA 及其靶基因的功能驗(yàn)證仍顯不足，尤其是在植物中的研究。

除此之外，對(duì)lncRNA 的報(bào)道主要集中在分子機(jī)制的研究中，在育種方面鮮見(jiàn)報(bào)道。探索lncRNAs 對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響的分子機(jī)制的成熟，lncRNA 有望在農(nóng)業(yè)育種、種質(zhì)創(chuàng)新及品質(zhì)改良方面發(fā)揮重要作用。