全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 8期
植物小 RNAs的研究进展
谢兆辉
(德州学院生物系 ,德州 253023)
　　摘 　要 : 　小 RNA s(长度小于 40 nt)是 nc2RNA s重要的一部分 ,现在植物中已发现了多种小 RNA s,如小干扰 RNA s( siR2
NA s)、微小 RNA s(m iRNA s)、反式作用的小干扰 RNA s、天然反义转录小干扰 RNA s、异染色质小干扰 RNA s、长小片段小干扰
RNA s、天然反义转录的微小 RNA s及其一些未命名的小 RNA s。成熟的小 RNA s聚集相关的蛋白质因子 ,可以抑制转录 ,导致
转录水平的基因沉默 ( TGS) ;或介导目标 mRNA的剪切 ,抑制翻译 ,导致转录后水平基因沉默 ( PTGS)。就这些植物小 RNA s
产生及其作用的研究进展作一概述
关键词 : 　小干扰 RNA s　微小 RNA s　反式作用的小干扰 RNA s　天然反义转录小干扰 RNA s　异染色体小干扰 RNA s　
长小片段小干扰 RNA s
Advances of Small RNAs in Plants
Xie Zhaohui
(Departm ent of B iology, Dezhou University, D ezhou 253023)
　　Abs trac t: 　Thousands of small RNA s ( less then 40 nt in length) have been discoveried, diverse classes of which have been iden2
tified in p lants, such as siRNA s, m iRNA s, ta2siRNA s, hc2siRNA s, lsiRNA s, nat2m iRNA s and some unannotated small RNA s1 The
mature small RNA s recruit some p roteins to form comp lex which can inhibit either transcrip tion, translation elongation or triggers the
degradation of target mRNA, and cause transcrip tional gene silencing ( TGS) orpost2transcrip ti2onal gene silencing ( PTGS) 1This review
discussed recent advances in the field of small RNAguided gene silencing in p lants, including their biogenesis, mechanismand func2
tion1
Key wo rds: 　siRNA s　m iRNA s　ta2siRNA s　nat2siRNA　hcRNA s　lsiRNA s
收稿日期 : 2009201217
作者简介 :谢兆辉 (19682) ,男 ,汉族 ,山东茌平 ,硕士 ,研究方向 :玉米抗性生物学 ; E2mail: xiezhh6823@1631com　　RNA s可以分为两类 :编码蛋白质的 mRNA和非编码蛋白质的 ncRNA s ( non 2p rotein2coding RNA s)。很多年来 ,人们一直认为 ncRNA s只有 tRNA s、rRNA s和剪接体 RNA s等少数几种 ,也只是蛋白质发挥作用的辅助因子。随着基因组研究的深化 ,在原核生物、真核生物以及古细菌中发现了大量的 ncRNA s,这些ncRNA s涉及遗传信息表达的各个阶段 ,可以通过多种方式调控 DNA结构、RNA表达及蛋白质翻译和功能 ,进而在细胞、组织或个体水平上影响生物体的正常生长发育。NcRNA s大致可以分为两类 :主导 ncR2NA s和调节 ncRNA s,调节 ncRNA s中的一些小 RNA s对于植物的生长发育和环境适应性具有重要作用 ,相关研究是近 10年分子生物学和生物医学主要焦点 ,已经成为研究模式生物的新工具 ,基因表达调控的新 理论 ,制药学的新方法和生物工程的新领域 ,有人称之为生物界的“B ig Bang”。这些小 RNA s又可以分为m iRNA s和 siRNA s,而 siRNA s又包括 ta2siRNA、nat2siRNA、hc2siRNA s、lsiRNA s和 nat2m iRNA s等很多亚类。它们的合成方式、作用机制和涉及的蛋白质因子(表 1)各不相同。1　植物 m iRNA s111　植物 m iRNA的生物合成M iRNA s在核内由 RNA聚合酶 II(pol II)转录 ,产生 p ri2m iRNA ,被 DCL1剪切成具有颈环结构的p re2m iRNA ,而后进一步剪切成 22 nt的 m iRNA:m iRNA3 双链 ,在 HASTY协助下 ,由核内运输到细胞质 ,进入 R ISC,其中一条单链保留在这一复合体
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中 ,指导靶 mRNA 的降解 ,抑制翻译或 DNA 甲基
化 [ 1 ] (图 1 ) , 动物 m iRNA s还可以增强翻译 [ 2 ]。
m iRNA起源学说当前比较流行的是反向复制学说 ,
该学说认为 m iRNA基因起源于它们目标基因的反
向复制 [ 3 ]。许多 m iRNA家族在在双子叶植物和苔
藓中非常保守 ,说明了 m iRNA在最早的陆生植物中
就存在 ,最近在单细胞莱茵衣藻中也发现了 m iR2
NA s,推测 m iRNA s在单细胞生物中就已经出现
了 [ 4 ]。现在还没有证据证明植物和动物具有相同
的 m iRNA s,也许从古老的 RNA i向 m iRNA s进化中 ,
至少经历过两次进化。
表 1　植物中小 RNA的来源及其作用
代号 蛋白质 功能 代谢途径
AGO1 ARGONAUTE1 (DND) RNA切割
m iRNA
tasiRNA
hc2siRNA s
AGO4 ARGONAUTE4 RNA切割 hc2siRNA s
AGO7 ARGONAUTE7 ( ZIP) RNA切割 ta2siRNA
lsiRNA s
CMT3 CHROMOMETHYLASE3 保持 CNG位点的甲基化 hc2siRNA s
DCL1 D ICER2L IKE1 内切核酸酶 m iRNAnat2siRNA s
lsiRNA s
DCL2 D ICER2L IKE2 内切核酸酶 nat2siRNA
DCL3 D ICER2L IKE3 内切核酸酶 hc2siRNA s
DCL4 D ICER2L IKE4 内切核酸酶 ta2siRNA s
lsiRNA s
DRB4
dsRNA2B IND ING
PROTE IN4 dsRNA2binding p rotein ta2siRNA
DRD1 Defective in RNA2directed DNA methylation RNA指引的 DNA甲基化 hc2siRNA s
DRM1 /2 DNA methyltransferases, DRM1 /2 DNA甲基转移酶 hc2siRNA s
HDA6 H istone Deacetyase 6 组蛋白去乙酰化酶 hc2siRNA s n
HEN1 HUA ENHANCER1 RNA甲基化 A ll siRNA s
HST HASTY 转运蛋白 m iRNA
lsiRNA s
HYL1 HYPONASTIC LEAVES1 dsRNA结合蛋白 m iRNA
lsiRNA s
MET1 Methyltrans2Ferase 1 保持 CG位点的甲基化 hc2siRNA s
NRPD1a
( SDE4)
NUCLEAR RNA
POLYMERASE IVa
RNA聚合酶
( PO I Iva最大亚基 )
hc2siRNA s
nat2siRNA
lsiRNA s
NRPD1b NUCLEAR RNA RNA聚合酶 hc2siRNA s
(DRD3) POLYMERASE IVb ( PO I IVb最大亚基 )
RDR 2
RNA2DEPENDENT RNA
POLYMERASE2
RNA聚合酶 hc2siRNA s
RDR6 RNA2dependent RNA
Polymerase6 RNA聚合酶
ta2siRNA s
nat2siRNA
SGS3
SUPPRESSOR OF GENE
SILENC ING3 稳定 RNA
ta2siRNA s
nat2siRNA
SUVH2 SU (VAR) 329 HOMOLOG 2 甲基转移酶 hc2siRNA s
21
2009年第 8期 谢兆辉 :植物小 RNA s的研究进展
图 1　植物中主要的基因沉默的途径
112　植物 m iRNA的作用
植物 m iRNA的作用大致可以分为 3个方面。
首先 m iRNA s在植物生长发育过程中具有重要作
用 ,涉及植物发育的各个方面 ,如激素的信号传导、
细胞代谢、器官分化、叶的发育、侧根形成、育性转
换、花器官的形成和生殖等 [ 5 ] (图 2)。其次 , m iRNA
在植物各种逆境胁迫反应中具有重要作用 ,例如
m iR399参与磷胁迫 , m iR398参与氧胁迫和铜胁迫 ,
m iR395参与硫胁迫 , m iR393参与低温胁迫、干旱胁
迫、菌类胁迫、脱落酸胁迫、重金属胁迫和脱水胁
迫 [ 6, 7 ] ; m iR160和 m iR159参与干旱胁迫 , m iR397参
与盐胁迫 , m iR171, m iR319和 m iR529参与重金属
胁迫 , m iR159和 m iR160参与脱落酸胁迫 ,另外还有
一些 m iRNA参与机械胁迫或光胁迫等 [ 8 ]。虽然人
工 m iRNA s具有抗病毒效应 ,感染烟草花叶病毒的
拟南芥中 ,也发现 m iRNA s表达增加了 515倍 [ 9 ] ,但
现在还没有天然 m iRNA抗病毒的报道 ,病毒却进化
出了抑制 m iRNA 过程的蛋白质 ,如水稻白条病的
NS3蛋白 [ 10 ]。M iRNA s的第三个作用是调节其他
siRNA s的合成 , DCL1和 AGO1是包括 m iRNA s自身
在内多种 siRNA s合成必需的蛋白质因子 ,它们分别
是 m iR162和 m iR168的目标基因 ,这样 m iRNA 可
以通过 DCL1和 AGO1,调节其他 siRNA s的合成 ,同
时也反馈调节自身合成 [ 11 ]。m iR173, m iR390 和
m iR828则直接参与 ta2siRNA s的生物合成 (表 2)。
研究发现 , m iRNA 还与农作物的驯化有关 [ 12 ]。随
着研究的深入 , m iRNA的新功能不断发现 , m iRNA
形象的被认为是一个微小的“遗传变阻器 ”,在基因
组学、蛋白质组学等后 ,又有一个新名词 ———微小
RNA组学 (m iRNom ics) [ 13 ]。
图 2　调节植物生长发育的 m iRNA s
2　植物 siRNA s
211　植物 siRNA s与 RNA i
RNA i通常指外源或内源的双链 RNA特异性地
剪切形成 siRNA s,并导致基因表达沉默的现象 (图
1) ,这是生物保护自身基因组免受侵袭形成的一种
防御机制 ,很长的时间里一直作为基因功能研究的
工具 ,现在这项技术开始应用于保护植物免被攻击
和品质改良。W ang等 [ 14 ]最早将 RNA i用于大麦抗
黄矮病毒 ,以后 RNA i抗病毒研究在很多植物获得
了成功 ,如抗番木瓜环斑病毒 ,抗马铃薯卷叶病
毒 [ 15 ]。以后 RNA i又成功用于植物抗虫研究 ,如抗
棉铃虫 [ 16 ] ,抗玉米根萤叶甲 [ 17 ]。RNA i在作物品质
改良方面也显现出巨大的潜力 ,如改善油脂和淀粉
品质 ,提高营养物质或降低有害物质含量等 [ 18 ]。最
近 ,由于在线虫中发现了次级 siRNA s,传统的 RNA i
作机理可能面临修正。推测 RNA i作用机制分为两
步 :初级 siRNA s为 RNA i的发动者 ,次级 siRNA s为
执行者 ,次级 siRNA s由 RdRP通过非引物方式合
成 ,其作用方式可能是诱导 mRNA不稳定或转录沉
默 ,但这种次级 siRNA s现在只在线虫中发现 [ 19 ]。
212　植物 ta2siRNA
21211　植物 ta2siRNA生物合成 　目前 , ta2siRNA都
是在植物中发现的 ,其产生及作用机制是 :在特定的
基因位点 ( TAS loci)由 pol II转录产生初级转录本 ,
被 m iRNA切割成两个片段 ,其中一个作为模版 ,经
SGS3和 RDR6 合成 dsRNA, dsRNA 再由 DCL4 和
DRB4剪切加工成 21 nt的 ta2siRNA,进入 R ISC中 ,
指导 mRNA的反式剪切 [ 20 ] (图 1)。拟南芥中的 8
31
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 8期
个 TAS loci属于 4 个家族 ( TAS1、TAS2、TAS3 和
TAS4 ) (表 2) , TAS3保守性较高 ,在白杨、葡萄、可
可、苹果、大豆、莲、玉米和水稻等高等植物中都存在
高度同源序列。拟南芥中 3个 PPR基因可以编码
tasiRNA s,推测 TAS2基因或 3个 TAS1基因可能起
源于 PPR基因家族 [ 21 ]。苔藓植物 TAS3a2d和被子
植物的 TAS3 来源于同一个祖先 ,但在目标基因
ARF3和 ARF4上 ,被子植物有两个 TAS3 ta2siRNA s
剪切位点 ,苔藓只有一个 ,苔藓 ARFsmRNA s的另一
个位点被 m iR1219剪切 ,而 m iR1219没有与 TAS3
ta2siRNA s的相同序列 , 这种现象也许说明了小
RNA s的趋同进化 [ 22 ]。此外 ,被子植物的 TAS3 ta2
siRNA s来源于 TAS3位点的 ( + )链 ,而苔藓植物来
自 ( 2)链 ,说明 TAS3位点的进化并非是同一祖先基
因序列变异那么简单 [ 22 ]。类 ta2siRNA s也在单细胞
莱茵衣藻发现 ,证明这是一种早于多细胞生物的古
老调控机制 [ 4 ]。
表 2　TAS位点、相关 ta2siRNA s及其目标基因
TAS基因 基因位点 涉及的 m iRNA 产生的 ta2siRNA s 目标基因
TAS1
TAS1a: A t2g27400
TAS1b: A t1g50055
TAS1c: A t2g39675
m iR173 tasiR255 4个功能未知的蛋白质基因
TAS2 A t2g39680 ( antisense) m iR173 tasiR255
tasi1511 PPR
TAS3
TAS3a: A t3g17185
TAS3b: A t5g49615
TAS3c: A t5g57735
m iR390 tasiR2141
tasiR2ARF ARF2, AR F3和 ARF4
TAS4 在 A t3g25790和 A t3g25800之间 m iR828 tasiR81 M YB 75, M YB 90和 M YB 113
21212　植物 ta2siRNA的作用 　拟南芥中 , TAS12ta2
siRNA调节几个功能未知的基因 , TAS22tasiRNA调
节 PPR基因 ,在实验室营养丰富的培养条件下 ,
TAS1 ta2siRNA和 TAS2 ta2siRNA作用并不大 ,但遇
到胁迫时两者具有重要的作用。TAS32ta2siRNA调
节生长素反应因子 ARF2、ARF3和 ARF4,从而调控
叶的极性发育和抑制植物从幼年到成年阶段的转
变 , ta2siRNA的表达下降会造成植物从幼年到成年
阶段转变加快。TAS42ta2siRNA调节 MYB转录因子
(表 2 )。最近的研究发现 , ta2siRNA 也调控 m iR2
NA165 /166的表达 ,由此提出了一种新的叶片极性
发育机制 :分生组织的 TAS32ta2siRNA中 tasiR2141 /
2进入初生叶的近轴端组织直接或通过 ARF3间接
阻断 m iR166的作用 ,而 m iR166可以在初生叶的远
轴端积累 ,抑制 HD2ZIPⅢ的表达 ,促使叶的极性发
育 [ 23 ]。脱落酸可以增强 TAS32ta2siRNA的合成及其
对 mRNA的剪切 ,这在一定方面解释了脱落酸和生
长素作用拮抗的原因 [ 24 ]。在抗病毒方面 ,感染花椰
菜花叶病毒 ( cauliflower mosaic virus, CaMV )拟南芥
中 , CaMV可以阻断 ta2siRNA s的形成 ,造成 ta2siR2 NA s前体的积累 [ 25 ] ,但感染烟草花叶病毒的拟南芥没有发现 ta2siRNA的表达变化 [ 26 ] , tasi2RNA s的表达可能与一些特定的病毒有关。RNA i和人造 m iR2NA s已经成为研究基因功能常用的方法 ,近来人造ta2siRNA也被成功用于植物基因功能研究 [ 27 ]。 ta2siRNA s和 m iRNA s可以共同调节相同基因家族 ,如m iRNA16H 和 TAS2 ta2siRNA 调节 PPR 家族 [ 28 ] ,m iRNA160, m iRNA167和 TAS3 ta2siRNA 调节 AR F家族 ,体现了不同小 RNA s调控基因表达的协调性。ta2siRNA把原来认为独立的 m iRNA和 siRNA s联系起来 ,有的研究者提出了 m iRNA 到 ta2siRNA 再到目标基因的级联调节网络。 ta2siRNA s和 m iRNA s可能是细胞进化产生的一种分子免疫系统 ,用于调节内源基因表达 ,由于 m iRNA s具有细胞自律性 ,由m iRNA s指导产生的具有流动性的 ta2siRNA s,作为m iRNA s的中介在细胞间发挥调节基因表达的作用 [ 29 ]。213　植物 nat2siRNA s21311　植物 nat2siRNA s的生物合成 　nat2siRNA s来源于自然反义转录物 NATs( natural antisense tran2
41
2009年第 8期 谢兆辉 :植物小 RNA s的研究进展
scrip ts) , NATs指一个 RNA分子与另一个 RNA分子
具有重叠片段。NATs的一条链往往持续表达 ,另一
条链诱导表达 ,当两个转录本同时存在时 ,互补序列
形成 dsRNA ,被 DCL2, RDR6, SGS3和 NRPD1A 加
工形成 24 nt nat2siRNA,后者指导对持续转录链的
剪切 ,剪切片段形成双链 ,再被 DCL1进一步剪切持
续形成 21 nt nat2siRNA s,指导对 mRNA 的剪切 [ 30 ]
(图 1)。现在 nat2siRNA s都在植物中发现 ,但在果
蝇 [ 31, 32 ]和小鼠 [ 33 ]中也鉴定出了 NATs来源的 21 nt
siRNA s,其生成方式和植物有较大差别。尽管真核
生物具有较大的基因间间隔 ,真核基因组存在很多
NATs,植物中约为 7% ～9% ,动物可以达到 30% ,
推测 nat2siRNA s调节基因表达的方式具有重要的潜
力 [ 34 ]。
21312　植物 nat2siRNA s的作用 　第一个发现的
nat2siRNA是 nat2siRNA s SRO5,参与拟南芥的盐胁
迫反应。nat2siRNA s SRO5来源于 P5CDH转录物和
SRO5转录物形成的 NAT, P5CDH编码一个分解脯
氨酸的酶 ,拟南芥受到盐胁迫时 , SRO5诱导表达 ,
引发 nat2siRNA s SRO5的产生 ,导致 P5CDH mRNA
的剪切 ,抑制脯氨酸的降解 ,增强拟南芥的抗盐能
力 [ 30 ]。第二个发现的 nat2siRNA2ATGB2,来自 A T2
GB 2基因和 PPRL基因形成的 NAT, PPRL为植物抗
病基因 R PS2的负调控因子 , PPRL基因在正常情况
下持续表达 ,而 A TGB 2被携带 avrRp t2的番茄假单
胞菌致病变种 ( Pst)诱导表达 ,引发 nat2siRNA2AT2
GB2的合成从而沉默 PPRL ,提高植物的抗菌能
力 [ 35 ]。以上 2个 nat2siRNA s都是在植物受到胁迫
时发现 ,M ichael等 [ 36 ]在正常生长状态下大麦 (Hor2
deum vulgare)中也鉴定出了 nat2siRNA s。这种 nat2
siRNA s来自维素合酶 ( CesA )与其反义链形成的
NAT,在大麦叶伸长的过程中大量表达 ,调节 CesA
的表达 ,及其不同形式 CesA之间的平衡 ,从而影响
植物初级细胞壁向次级细胞壁的转化。现在由于大
规模平行信号测序系统 (MPSS)和拟南芥小 RNA计
划 (ASRP)数据库 ,都是在植物未受处理时得到的 ,
如果利用胁迫处理植物 ,可能会得到更多的 nat2siR2
NA s。
214　植物 hc2siRNA s
21411　植物 hc2siRNA s的生物合成 　与转座子、逆
转录转座子 , 5S rDNA和重复序列有关的 siRNA s,
称为异染色质小干扰 RNA s ( hc2siRNA s) ,或重复相
关的小干扰 RNA s ( repeat2associated siRNA s, ra2siR2
NA s)。hc2siRNA s最初曾称为小异染色质 siRNA s
( shRNA s) ,由于其缩写形式 shRNA s容易被误解成
小发卡 RNA ( shRNA ) ,所以后来多写为 hc2siRNA s。
因为它们指导相关 DNA或组蛋白的修饰 ,故又被称
为顺式作用小干扰 RNA s ( cis2acting siRNA s, casiR2
NA s)。其形成过程 :异常的 RNA s被 Pol IV a作为
模板合成新 RNA s,新 RNA s进入核仁 ,在核仁由
RDR2复制成 dsRNA,再被 DCL3剪切生成 24 nt的
hc2siRNA s, 后 NRPD1b 进 入 含 有 hc2siRNA s 和
AGO4的 R ISC复合体 ,结合 NRPD2形成具有活性
的 R ISC2PolIvb复合体 ,离开核仁 ,指导内源重复序
列位点异染色体化或组蛋白的甲基化 [ 37 ] (图 1)。
21412　植物 hc2siRNA s的作用 　M iRNA s、ta2siR2
NA s和 nat2siRNA s往往作用于 mRNA 造成转录后
基因沉默 ,而 hc2siRNA s可以改变染色质形态 ,造成
转录水平基因沉默。hc2siRNA s在单细胞布氏锥虫
中参与转座子控制 ,而在啤酒酵母和拟南芥中 ,它们
还涉及异染色质形成并调节基因转录。植物 hc2
siRNA s指导的 DNA甲基化不仅沉默基因组中的转
座子 ,还可以调控重要的生理和发育基因。深入的
基因组序列测定在拟南芥、水稻和玉米中发现了为
数众多的调节 RNA s,在分析拟南芥中 340 000个单
一的小 RNA s时 ,一半是 24 nt的 hc2siRNA,说明拟
南芥可以广泛利用 hc2siRNA s调控基因表达 [ 38 ]。
Fujioka等 [ 39 ]在水稻花药也鉴定出了 hc2siRNA s,推
测 hc2siRNA s参与水稻雄配子的发育 ,但具体过程
还不清楚。在盐胁迫时曾发现 hc2siRNA s合成所必
需的 N R PD1A 基因表达上调 ,失活 hc2siRNA s合成
所必需的 AGO4,会使拟南芥对有毒的 P1syringae高
度敏感 [ 40 ] ,但是 hc2siRNA s是否参与植物盐胁迫或
细菌胁迫反应还有待进一步研究。
215　植物 lsiRNA s
L siRNA s长约 30 ～ 40 nt, 其合成过程需要
DCL1, DCL4, HYL I, HST, AGO7, RDP, SDE3, pol IV
等因子参与。尽管 lsiRNA s与植物其他 siRNA s和
合成及作用机制有一些共同之处 ,但也有很多差异 ,
尤其是 lsiRNA s沉默基因的方式 , lsiRNA s先通过
51
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 8期
DCP1、DCP2和 VCS组成的脱帽复合体 ,脱去目标
mRNA 5′端的帽子 ,再由核酸外切酶 XPN4降解目
标 mRNA ,而不通过 mRNA剪切、抑制翻译或改变染
色质结构方式发挥作用 (图 1)。 lsiRNA 中 A tlsiR2
NA21来自 A t2g31880 /A t2g31890基因形成的 NAT,
这两种基因分别定名为 SRRL K 和 A tRA P, Pst
( avrR pt2 )诱导 SRRL K表达 ,导致 A tlsiRNA21合成 ,
引发 A tRA P mRNA 的降解 , 增强拟南芥的抗菌
能力 [ 41 ]。
216　植物 nat2m iRNA s
水稻中 nat2m iRNA s来自 NAT,两条链转录后先
各自进行剪接 ,这些剪接把正义链与反义链的配对
能力限制在了一个包含了微小 RNA的小区域内。
其中反义链转录形成 p ri2m iRNA ,先剪切成 p re2m iR2
NA,再进一步加工成 m iRNA s后出细胞核 ,指导剪
切有义 mRNA,调节其表达 (图 2)。 nat2m iRNA s的
形成不同于一般 m iRNA s,因为一般 m iRNA s形成发
夹结构无需剪切。nat2m iRNA s也不同于 nat2siRNA,
如 nat2siRNA s的形成过程需要 DCL1,而 nat2m iRNA
则需要 DCL2[ 42 ]。这些 nat2m iRNA s在单子叶植物
中比较保守 ,此种路径 (图 3)至少有 5 000万年的
历史。
图 3　矮牵牛 NAT小 RNA和水稻 na t2m iRNA s
的合成途径和作用机制
3　植物其他小调节 ncRNA s
矮牵牛的 S ho基因编码一个合成细胞分裂素的
酶 ,该基因的表达受到两种小 RNA s的调节 : Sho的
mRNA与其反义链的 mRNA形成 NAT,首先被 D IC2
ER剪切形成小指导 RNA s,后者聚集 RdRP,以 Sho
正义链为模板 ,先合成 35 nt的小 RNA s,再以 35 nt
的小 RNA s为引物 ,以正义链为模板形成 dsRNA ,后
dsRNA被 D ICER复合物剪切形成 24 nt的小 RNA s,
从而抑制了细胞分裂素的合成 (图 2) [ 43 ]。原来研
究较多的是细胞分裂素合成在转录水平的调节 ,这
两种调节小 RNA的发现为控制细胞分裂素合成或
适应性提供了新工具。磷是植物生长发育与繁殖所
必需的矿物质营养之一 ,无机磷酸盐是磷元素被吸
收以及在植物体内转运的主要形式 ,除了 m iR399
外 ,两种小 RNA s也参与了磷饥饿的胁迫反应 ,其中
类 mRNA 的 ncRNA s (m lncRNA s) 2AT4 / IPS1,在 Pi
胁迫时的诱导表达 ,可以防止 Pi匮乏转向充足时 ,
植物过度吸收 Pi而造成中毒 [ 44 ] ,同时 m iR399剪切
目标 PHO2 mRNA ,产生的 PHO2 siRNA s,可以加强
后期 m iR399对 UB C24的抑制。此外 ,拟南芥春化
作用相关基因 FLC 与其反义链转录物形成 cis2
NAT,可以产生多种小 RNA s,这些小 RNA s聚集相
关蛋白质 ,引发 FLC 3′端核小体组氨酸甲基化而调
节 FLC基因表达 [ 45 ] ,最近又在成熟过程中的水稻种
子中发现了一种类 m iRNA 的 siRNA s,可进行反式
剪切目标 mRNA s[ 46 ]。
4　结语
原核生物的基因组大约 90%为蛋白质编码基
因 ,但是随着生物的复杂程度升高 ,蛋白质编码基因
在基因组中所占比例逐渐减小。相反 ,非蛋白质编
码基因逐渐增加 ,与基因组复杂程度呈现一定的线
性关系 [ 47 ]。Taft等 [ 48 ]阐述了与生物复杂程度相关
的 6个重要参数 ,其中 4项涉及 ncRNA s,这充分说
明了 ncRNA s在生物进化中的重要作用。事实上 ,
基因组与生物复杂程度惟一相一致的是基因组中的
非编码序列 ,而不是编码序列。现代分子生物学的
一些基本规律都是基于原核生物的遗传研究建立起
来的 ,但是原核生物和真核生物的基因表达调控模
式有很多差异 ,原核生物基于蛋白质为核心的基因
表达调控模式 ,是否也适合真核生物 ,随着众多 nc2
RNA s的发现 ,越来越受到质疑 [ 49 ]。现在有人认为
真核生物的基因表达调控模式可能是基于 RNA为
核心的 ,如果这种理论成立的话 ,那么分子生物学的
一些最基本的观点都要被重新修订 ,如中心法则。
此外 ,虽然现在已经发现了很多种 nc2RNA s,但没有
人怀疑这只是冰山一角 [ 50 ]。现在小 RNA s已经成
61
2009年第 8期 谢兆辉 :植物小 RNA s的研究进展
为分子生物学和生物医学主要焦点 ,在植物基因功
能研究、作物改良和植物抗性研究方面具有重要作
用 ,并且具有很多优点。如在植物基因功能研究方
面 :携带小 RNA s的转基因植物能够遗传 ,可以加速
研究历程 ;小 RNA s可以沉默相关一组基因 ,这比建
立复杂的基因敲除系简单的多 ;更重要的一点 ,小
RNA沉默属于转录后沉默 ,对基因结构没有影响 ,
可以使研究载体恢复正常生长。在植物逆境胁迫方
面 ,小 RNA s作调节分子易合成、易分解、耗能少、与
目标结合具有更高的专一性且其作用机制有些是可
逆的 ,非常有利于逆境胁迫后迅速恢复正常生长。
在反应动力学方面 ,小 RNA s作调节分子可以避免
逆境条件下代谢强度大起大落对细胞的危害 [ 51 ] ,由
于一些胁迫反应会抑制蛋白质合成 ,更显现出小
RNA调节的重要性。此外 ,与常用的有机农药相
比 ,这种抗菌抗病方式更加高效环保 ,现在利用小
RNA建立起的平台 ,已经在基因组功能研究、农作
物抗菌抗病、抗病毒研究和改良农作物品质等方面
有了很多成功的例子 [ 52 ] ,但其在生产实践中的大规
模利用 ,还有赖于对基因组和这些小 RNA沉默的进
一步研究。
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