全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第5期
收稿日期:2008-04-14
基金项目:教育部科学技术研究重点项目(205178)和国家自然科学基金资助项目(30460015)
作者简介:徐涛(1983-),男,硕士研究生,主要研究方向:植物分子生物学
通讯作者:张富春(1962-),男,教授,博导;E-mail:zfcxju@xju.edu.cn,Tel:0991-8583517
1993年,Lee等[1]在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis
elegans)中发现第一个 miRNA分子 lin-4;随后 2000
年,Reinhart等[2]也在秀丽隐杆线虫中发现了类似
于 lin-4的基因 lin-7。自 2002年,miRNA就成为生
命科学研究中的热点。目前,在各种动植物中发现
了数以千计的 miRNA。
植物 miRNA的研究较动物 miRNA晚 10年,
但由于 miRNA研究方法的不断发展,植物 miRNA
的发现数量呈几何级数增长[3],研究主要集中在植
物基因表达和生长发育等方面[4]。然而生物胁迫和
环境胁迫是制约植物生长尤其是作物增产的主要
因素,因此,植物 miRNA研究开始关注 miRNA对
植物耐受胁迫的调节机制,探讨 miRNA在植物抗
逆中的作用。结合植物 miRNA研究进展,阐述植物
miRNA抗胁迫的分子机理。
1 植物 miRNA的特点
1.1 植物 miRNA与动物 miRNA的比较
植物 miRNA也广泛存在于真核生物中,无开
放阅读框,不编码蛋白质[5]。植物 miRNA具有表达
特异性,包括发育时间特异性表达,组织、器官特异
性表达。植物 miRNA在进化上具有保守性,不仅表
现在一级结构上[6],还表现在二级结构上[7],而且它
们前体的自由能普遍比较低(-239~134kJ/mol)[8]。
植物 miRNA与动物 miRNA相比,前体的茎环
结构更大、更复杂,预测的折回长度变异 (64~
303nt)也比动物 miRNA(60~70nt)明显 [9]。植 物
miRNA长度为 21nt,动物 miRNA长度一般为 22~
23nt。植物 miRNA是其前体在核内由 DCL执行两
步切割,以互补双链形式出核并解旋后才发挥功能
植物miRNA抗胁迫机理研究进展
徐涛 张富春
(新疆大学生命科学与技术学院,新疆生物资源基因工程重点实验室,乌鲁木齐 830046)
摘 要: 植物microRNA(miRNA)是一类约有21个核苷酸组成的小RNA分子,属于非编码单链RNA家族。
miRNA与靶mRNA互补配对结合,以抑制基因表达或切割mRNA的方式,实现基因的负调控。miRNA对植物基因表
达、生长发育和抵抗胁迫等有十分重要的影响。综述了植物miRNA特点以及miRNA抗胁迫机理的最新研究进展。
关键词: 植物miRNA 生物胁迫 环境胁迫
AdvancesoftheActionofPlantmiRNAsinStressTolerance
XuTao ZhangFuchun
(XinjiangKeyLaboratoryofBiologicalResourcesandGeneticEngineering,ColegeofLifeScienceandTechnology,
XinjiangUniversity,Ulumqi830046)
Abstract: PlantmicroRNAs(miRNAs)aresingle-strandedRNAmoleculeswithabout21nucleotides(nt)inlength
thatbelongtononcodingRNAfamily.PlantmicroRNAs(miRNAs)actaspost-transcriptionalnegativeregulatorsofgene
expresionmainlybyguidingcleavageoratenuatingranslationoftargettranscripts.MiRNAsplaycruialrolesinplant
geneexpresion,development,maintenanceofhomeostasis,andresponsetoenvironmentalsignals.Inthispaper,therecent
researchadvancesuchasharacteristicsandpotentialmechanismofactioninstrestolerance,wassummarized.
Keywords: PlantmiRNA Bioticstres Abioticstres
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
的,茎环结构只是短暂存在于核内的中间体。动物
miRNA的前体在核内由 Drosha(一种 RNaseⅢ)仅
完成初步切割,产物以茎环结构形式转移到胞质
中,由 Dicer完成第 2步切割[10],因此,植物 miRNA
与动物 miRNA切割方式存在明显的差异[11]。植物
miRNA5端偏爱脲嘧啶 U[9],热力学分析表明,这
种末端不稳态是通过 RISC来维持的。植物 miRNA
与靶 mRNA完全互补配对[10],而动物 miRNA与其
靶 mRNA的互补配对不完全[12]。植物 miRNA可以
与靶 mRNA的任何区域作用 (主要是蛋白编码
区),通过切割靶 mRNA或抑制靶 mRNA翻译实现
对基因表达的调控[13]。而动物 miRNA则主要针对
靶 mRNA的 3非编码区域(3UTR),作用机制为抑
制翻译的正常进行。植物 miRNA具有簇集现象,成
簇排列的基因协同表达,显现出在基因表达方面的
数量优势。植物 miRNA虽然比较保守,但仅是成熟
的植物 miRNA才表现出进化上的保守性。动物
miRNA无论是其前体还是成熟的 miRNA,都表现
出保守的特性[14]。由于植物 miRNA具有更高的进
化保守性,所以对植物 miRNA靶基因的预测要相
对容易。这些差异表明动、植物 miRNA基因的进化
是彼此独立的。
1.2 miRNA与 siRNA的关系
miRNA和 siRNA是两个容易混淆的概念。RNA
干扰 (RNAi)也是一种通过小分子 RNA来调控基
因的表达方式。最先得名于线虫的研究,后来在植
物和真菌中也相继发现,也称转录后基因沉默
(PTGS)或基因压制(genequeling)。dsRNA(Double
strandRNA)被核酸酶切割成 21~25nt的干扰性小
RNA分 子 , 即 siRNA (smalinterferenceRNA),
siRNA识别并裂解同源性靶 mRNA分子。在植物中
siRNA也可以通过参与同源性基因甲基化使目基
因沉默,是生物体抵抗外来核酸入侵(如病毒),抑
制转座子活动的一种自然机制。
miRNA与 siRNA,在化学性质上和作用效果上
是类似的,在行使功能时却可以互相转变。许多植
物中已知的 miRNA能以 siRNA的方式 指导靶
mRNA的裂解[15]。近年来的研究发现,miRNA在代
谢上与 siRNA可能共享着一些相似的蛋白和路径。
但是,miRNA和 siRNA仍然存在以下不同点:(1)
起源阶段:siRNA通常是外源的,如病毒感染和人
工插入的 dsRNA被剪切后产生外源基因进入细
胞,而 miRNA是内源性的。(2)成熟阶段:siRNA直
接来源是长链的 dsRNA(通常为外源),经过 Dicer
酶切割形成双链 siRNA,而且每个前体 dsRNA能够
被切割成不定数量的 siRNA片段。miRNA在生物
体中的表达具有时序性、保守性和组织特异性。(3)
与 RISC(RNA诱导的沉默复合物)结合时,使用的
AGO蛋白家族的成分为 AGO2,siRNA通常用于沉
默外源病毒、转座子活性。miRNA形成复合体时,
利用的成员为 AGO1。miRNA能够调节与生长发育
有关的基因。
2 植物 miRNA抗胁迫研究
自然界中的植物,一方面受到生物胁迫(比如
病原菌的侵染),另一方面因其不可移动性,不可避
免地要耐受各种非生物胁迫(比如干旱、干旱、低温
和机械力等)。可以想象,早期有很多植物基因被动
地受到环境干旱、盐分和温度的调控。长期的进化
过程,终于造就了植物适应各种生物和非生物胁迫
的机制。虽然在胁迫条件下转录后的基因调控也被
证明,但其潜在的机制还不是十分清楚。研究发现
胁迫压力能够调节 miRNA的水平,功能分析也表
明一些 miRNA在胁迫中发挥重要的作用。
2.1 miRNA与生物胁迫
植物病害和应答环境胁迫病毒感染是一个广
泛影响植物生长发育的生物因素,每年因植物病毒
感染而导致大多数农作物和果树减产 30%左右。在
进化过程中,植物已经形成了一些抵制病毒感染的
机制,其中一种机制就是病毒介导的转录后基因沉
默。
许多证据表明,miRNA与病毒介导的疾病,以
及病毒诱导的基因沉默有关[16]。Kasschau等[17]通过
拟南芥中过量表达的 Hc.Pro基因,过量的 Hc.Pro
蛋白酶(helpercomponent.proteinase)降低了 miR171
水平,其多数靶 mRNA水平提高,致使植物出现受
病毒介导的相关病症。由此证明,在植物所具有的
多种应答环境胁迫的机制中,有一种是通过调节
miRNA起作用的。Lu等[18]从杨树中分析出 48个
miRNA序列,其中也有靶向作用于与抗病毒侵染有
关的基因。Qu等[19]人工设计了一种靶向于 CMV病
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毒沉默抑制因子 2b的 miRNA,发现其在瞬时表达
系统中能有效的抑制 2b基因的表达,赋予了转基
因烟草对 CMV的抗性。由 miRNA引导的抗病能力
与 microRNA的表达水平相关,与转入短的发夹结
构的 RNA相比,人工 RNA途径效果更加显著。
miRNA除了能介导植物对病毒的抗性之外,还
可以通过调控生长素信号的传递使植物对病菌产
生抗性。Navaro等[20]研究发现,鞭毛素衍生肽能诱
导拟南芥产生一个 miRNA,此 miRNA能降解 F-box
类生长素受体 TIR1、AFB2和 AFB3的 mRNA,导致
生长素信号转导途径受阻,提高植物对 Pseudomonas
syringae等细菌性病的抗性。这些提供给人们一种
以转基因途径,有效提高植物抗病性的新思路。
2.2 miRNA与环境胁迫
环境胁迫包括氧自由基、干旱、盐分、严寒和机
械力等。植物在环境胁迫因素作用下诱导某些
miRNA过量或低量表达,或直接合成一些 miRNA
并对外界环境胁迫做出应答反应。
2.2.1 miR398与氧化胁迫 植物细胞内的超氧化
物(ROS)的产生主要有两个来源:一方面超氧化物
(O2-)是分子氧光致还原反应的初级产物,另一方
面环境胁迫,如干旱、低温、盐分、强光照和重金属
等,也能诱导 ROS的积累。超氧化物酶(SOD,分为
3种:Fe-SOD、Mn-SOD和 Cu/Zn-SOD),可将 ROS
转变成过氧化物和分子氧,是植物体抵御高毒性超
氧化物的第一道防线。胞质中的 CSD1和质体中的
CSD2都属于 Cu/Zn-SOD,在区隔和清除超氧化物
的过程中扮演重要的角色。CSD1和 CSD2作为
miRNA调控的靶标,其上调依赖于 miR398的水
平,miR398的表达又受环境的诱导。
Sunker等[21]研究发现,在正常情况下,虽然 Cu/
Zn-SOD基因被转录,但是由于 miRNA所引导的排
除,它们的 mRNA并不积累。在氧化胁迫情况下,
miRNA表达量被诱导降低,解除了对 Cu/Zn-SOD
基因的抑制,即 CSD1和 CSD2的 mRNA表达量升
高,导致植物抵御氧化胁迫的能力大幅度提高。进
一步研究发现,miR398突变株较正常株表现出更
强的抗逆性。另外,细胞色素 C氧化酶亚基 V也是
miR398作用的靶标[22],但是,它是否参与植物氧化
胁迫耐受还有待进一步研究。miR398是第一个被
详细报道的受胁迫负调控的 miRNA。
2.2.2 miRNA169与干旱胁迫 miR169是第一个
在水稻中发现的与干旱相关的 miRNA[23]。它是一个
包含 17个成员 microRNA家族,有 9种不同的序
列。在 Zhao等[23]的研究中,PEG6000模拟的干旱胁
迫诱导水稻 miR169,miR393表达。进一步研究发
现,在 miR169家族的众多成员中,miR169是惟一
被干旱所诱导的成员。这表明 miR169家族各成员
虽然在序列上很相似,但是在生理学上却扮演着不
同的角色。研究还发现,植物根中的 miR169比芽中
的对干旱胁迫更敏感。对 miR169基因的序列分析,
发现其上游约 500bp处存在两个 DRE(脱水应答元
件),推测 miR169可能受到 DRE转录因子的调控。
2.2.3 抗盐胁迫 Jung和 Kang[24]表明 miR417的
表达受盐胁迫所调节。其过表达转基因植物的种子
萌发率较对照低,并且萌发以后的幼苗生长受到抑
制。研究结果表明在高盐条件下,miR417对拟南芥种
子萌发率和幼苗成活率有负调节的作用。Borsani等[15]
研究显示 NAT-siRNA(naturalanti-sensetranscripts)
在植物盐胁迫应答中起重要作用。一对 NAT基因
在拟南芥的盐胁迫应答中能够产生 24nt和 21nt的
siRNA,这些 siRNA能够像 miRNA一样切割 P5CDH
的 mRNA,抑制脯氨酸降解,从而提高拟南芥耐盐
能力。
2.2.4 抗冷胁迫 冷胁迫是指低于 20℃的温度骤
降或低于 0℃的冰冻。低温不但影响植物对水分和
营养的吸收,膜的流动性和蛋白与核酸的合成,而
且通过改变生化反应速率或基因表达程序来影响
细胞内新陈代谢。微阵列分析表明,在冷胁迫的条
件下,被上调的 17%的基因编码转录因子,然而被
下调的基因只有 7%编码转录调节子[25]。因此推测,
在冷胁迫条件下,转录后调节是一个主要的基因下
调模式。microRNA在正常环境下都调控植物的各
种发育过程,所以在冷胁迫条件下 microRNA调节
植物的生长那个和发育也是有可能的。对拟南芥的
微 阵 列 分 析 表 明 许 多 调 节 植 物 生 长 发 育 的
microRNA在冷胁迫下会做出应答[26]。一些microRNA
(如 miR393,miR397b和 miR402)的上调能被多种
胁迫因素 (冷冻,脱落酸,脱水和盐胁迫)诱导,
miR398a几乎能被所有的胁迫下调,但 miR319c似
徐涛等:植物miRNA抗胁迫机理研究进展 7
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
乎只被冷胁迫所上调[6]。
Sunkar等[27]的研究发现,在冷胁迫下拟南芥的
miR393上调,导致其靶基因 E3泛素连接酶下调,
miR393切割泛素连接酶 E3的 mRNA,降低 E3对
其目标蛋白的水解作用,而这些靶蛋白可能正是植
物适应冷环境的调节因子,于是增强了植物对严寒
的耐受。At4g03190(F-box的一个蛋白)是 miR393
的另外一个作用靶标,它与 GRR1(抗葡萄糖阻遏
1)中的一个酵母蛋白作用相似。葡萄糖代谢被各种
非生物胁迫阻遏时,植物可以利用葡萄糖水平作为
在胁迫调条件下调节自身生长和发育的信号。冷胁
迫诱导 miR393上调,致使其靶基因 At4g03190的
mRNA降解,因此 miR393可能作为压力应答参与
胁迫条件下葡萄糖信号。
2.2.5 抗机械力胁迫 Lu等[18]从毛果杨的木质部
中克隆到了 22个 miRNA,其中有 10种可能是其所
特有的。大部分克隆到的 miRNA的表达水平与植
物所受到的拉升或挤压胁迫相关。而且他们通过改
进的 5RACE的方法寻找到可能的作用靶标。比
如,作为 ptr-miR473和 ptr-miR477的靶标,SCAREC
ROW-like(SCL)家族调控细胞分裂和延长。当植物
遇到机械力胁迫时,ptr-miR473和 ptr-miR477表达
量下降;作为 miR408的靶标,一种类似质体蓝素的
蛋白调节木质素在植物体不同组织中分布;作为
UV-B抗性基因(UVR8)的靶标,ptr-miR473能调节
与肉桂酸-4羟化酶(与细胞壁多酚形成相关)相关
的苯基代谢。这些结果表明,植物 miRNA能够被机
械力胁迫所诱导,并在机械胁迫的适应中发挥重要
作用。
2.3 在胁迫条件下控制植物生长和发育的miRNA
miRNA不但在正常情况下调控植物的生长发
育,而且在胁迫条件也调控植物的生长发育,以增
强对逆境胁迫的耐受作用。植物的根对水分和营养
的吸收及运输发挥重要作用。在干旱条件下,根必
须继续生长以满足从更深层的土壤中获得水分。研
究表明,过表达 miR160能增加植物侧根的数量[28],
而过表达 miR164[29]所产生的结果却恰恰相反。植
物叶面积的大小和光合作用及蒸腾作用直接相关。
miR159能够影响植物叶的大小和叶柄的长度,
miR166影响叶的极性。植物的生殖期对胁迫非常
敏感。植物通过过量的表达 miRNA来调整植物花
期,使植物的生殖避开逆境胁迫。比如,过量表达
miR156能够推迟植物开花的时间,或者过量表达
miR172提前植物开花的时间。
3 展望
在过去的 20多年,已经发现了许多与胁迫相
关的基因,也已鉴定出许多 miRNA,miRNA作为基
因水平的调控元素,它代表着一种更为古老的调节
方式。伴随着高通量测序技术的不断提高,更多的
miRNA将被发现,研究对象也会由现在的模式植
物扩展到农作物,甚至极端环境下的各种生物类
群,miRNA功能及作用机理也将会被阐释的更清
楚。
miRNA的调控像其它的 RNA一样也发生在加
工过程中,其本身的稳定性也是一个可被调控的因
素。但无论是 miRNA在定组织及特定发育阶段表
达,还是在胁迫诱导条件下表达都暗示着 miRNA
自身在转录水平被调控。在胁迫条件和不同的发育
阶段,如何实现对 miRNA转录水平的调控有待进
一步研究。另外,miRNA结构的保守性决定了其功
能的保守性,很多生物信息学预测的 miRNA,其功
能还未得到验证。
在胁迫条件下,对 miRNA转录后水平基因调
控的理解将提高人们对作物抗逆性的认识。一些转
基因植物已经显示出对逆境较强的耐受能力,所以
对 miRNA的人工操作提供一条可行的提高作物抗
逆性的新途径。
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