全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第7期
2010年7月
Vol. 22, No. 7
Jul., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)06-0688-09
收稿日期：2010-05-06
基金项目：国家自然科学重点项目基金(90508005); 中
国科学院重大方向性项目(30730053)
*通讯作者：E-mail: ykhe@sibs.ac.cn
植物microRNA 的生物合成和调控功能
杨　曦,何玉科*
(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所分子遗传国家重点实验室，上海 200031）
摘　要：植物microRNA (miRNA)是一类21~24 个核苷酸长度的小 RNA 分子。它的生物合成机制及其
对植物生长发育的重要调控作用是人们普遍关注的科学问题和深入探索的研究对象。目前，RN A 分子
生物学在理论和技术上日趋完善，正在成为一门独立的新兴学科，对生物相关学科的发展产生了重要影
响。其中，植物 m i R N A 的生物合成和调控功能是植物小 R N A 分子生物学的核心问题之一。该文提供
植物 mi R N A 领域的最新研究成果，在此基础上对未来的学科发展提出新的建议。
关键词：植物；microRNA(miRNA); 小 RNA 分子；基因调控
中图分类号：Q52; Q945　　文献标识码：A
Biogenesis and regulatory function of plant microRNA
YANG Xi, HE Yu-ke*
(National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai
Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: Plant microRNA (miRNA) is a small RNA molecule with the length from 21 to 24 nucleotides. The current
research on biogenesis and regulatory function of RNA is so extensive and profound that RNA molecular
biology has become an independent discipline dependent on innovative knowledge and advanced technology.
One of the most important topics in this field is about the biogenesis and regulatory function of plant small
RNA. In this short review, we present the most recent advances in the field of plant miRNA and provide some
suggestion for the development of this discipline.
Key words: plant; microRNA (miRNA); small RNA molecule; gene regulation
microRNA (miRNA)是一类21~24个核酸长度的
小分子，最先在线虫中被发现。大量研究结果表
明，miRNA 在后生动物和高等植物中普遍存在，它
通过与靶基因的序列互补实现对靶基因的沉默，从
而调控生长发育等重要过程[1-3]。
1　植物miRNA 的研究历史
长期以来，人们普遍认为在细胞功能方面真
正有作用的是蛋白质。除了辅助 m R N A 成熟
(snRNA)和蛋白质的翻译(tRNA 和 rRNA)外，大部
分的 RNA 仅仅是 DNA 和蛋白质之间的桥梁，转录
本的丰度只是用来衡量相应的蛋白质活性，也就是
平时所说的“一个基因等于一个蛋白，一种功能”。
而早在1969年，Britten和Davidson[4]就提出，
在真核细胞中 RNA 可能参与控制基因的表达，即
“基因能够被各种 R N A 以基于沃森 - 克里克
(Watson-Crick)互补原则的方式所调控”。1993
年，研究者发现线虫的lin-4基因编码一个22 nt的
非翻译RNA[3]，这个22nt的小RNA能够和lin-14基
因的3非翻译区(untranslated regions，UTR)的几段
序列互补，通过碱基配对的方式，下调lin-14的功
能。如果从lin-14基因中去除了lin-4的互补序列，
那么这种调控就会失效。进一步的体外实验发现
689第7期 杨　曦，等：植物mi cr oR NA 的生物合成和调控功能
lin-4的RNA能够聚集到 lin-14 mRNA的3非翻译
区，而且两者之间的互相结合需要lin-14 的3非翻
译区中的那段互补序列[5]。
20 世纪90 年代初的时候，研究者在植物中发
现了RNA沉默现象。转基因实验经常会导致转入基
因的沉默[6 ]。这种基因沉默分为两类：转录沉默
(transcriptional gene silencing, TGS)和转录后基因沉
默(post-transcriptional gene silencing, PTGS)。它们
通常都伴随着启动子的沉默或被降解RNA序列的小
片段 RNA 的产生。这是植物中最早对小 RNA 的报
道，但关于这种现象一直没有得到很好的解释，直
到动物中siRNA(small interfering RNA)的发现[7]，人
们才逐渐确认这是植物中的RNA干扰现象。2002年
夏天，利用RNA 克隆的方法，Carrington、Chen
和Bartel三个实验室分别从拟南芥中分离得到了100
多个内源编码的 miRN A，其中许多在水稻、玉米
和烟草中也是同源的[8]。后来Zamore实验室又发现
了 280 个 miRNA 序列[9]。第一个得到鉴定的植物
miRNA 是 miR171[8]。
从 1993年发现第一个小RNA分子的踪迹算起，
历经了将近十年才确定miRNA是真核生物调控基因
表达的重要手段，但此后，关于 miRNA 以及其他
的小RNA方面的研究进展非常迅速，成为了当今生
物学研究方兴未艾的一个热点领域。miRNA 的发现
为生物学研究开启了一个新的广大领域，荣登为
2002年十大科学发现之首，它的后续相关研究也占
据了2003、2006 年十大科学发现之一。
2　植物miRNA 基因的转录
在植物中，miRNA 基因往往位于编码基因之
间。截至目前，拟南芥基因组中已经发现的miRNA
基因超过了200个，水稻中的miRNA基因则达到400
个。同编码基因一样，miRNA 基因也是由 RNA 聚
合酶II 转录的，最初的转录产物被称为miRNA 的
初级转录产物(pri-miRNA)，很多pri-miRNA和编码
基因的转录本一样具有3polyA 和5帽子结构，有
些pri-miRNA 还含有内含子结构[10]。pri-miRNA 最
重要的特性之一是能够形成发夹形状的茎环结构[10]。
在大多数情况下，一个pri-miRNA 分子只有一个茎
环结构，只能产生一个 miRN A。但是在有些情况
下，一个pri-miRNA 分子可以有两个或两个以上的
茎环结构，因此就能产生两个或多个miRNA[11]。一
般来说，一个 miRNA 可以来自多个 miRNA 基因或
pri-miRNA。已经发现，miRNA 基因的启动子区域
存在核心启动子的特征序列TATA 盒(TATA box)和
转录起始因子，但是由于pri-miRNA 本身的非编码
性和目前对于miRNA 基因启动子知识的缺乏，使得
大多数miRNA 基因的转录起始位点还无法得到准确
确定。
3　植物miRNA 前体的剪切加工
pri-miRNA 被转录出来后，紧接着被剪切成包
含茎环结构的pre-miRNA，pre-miRNA 再被进一步
加工成成熟的 m i R N A 双链聚合体( m i R N A :
miRNA*)[1-3,12]。这和动物中miRNA加工的两个步骤
是一致的，区别在于，动物中第一步剪切发生在细
胞核中，由Drosha 蛋白介导，第二步剪切发生在
细胞质中，由Dicer 蛋白完成[13]。而在植物miRNA
的加工过程中，这两步都是在细胞核中完成的，且
都由Dicer-like I(DCL1)蛋白所在的复合体介导完
成[10,14]。目前有研究表明，pre-miRNA 的茎环结构
在加工蛋白对miRNA 成熟序列的精确识别过程中起
着至关重要的作用，特别是位于成熟 m i R N A ：
miRNA* 双聚体和环末端之间，距离环末端15~17
个碱基的序列被认为是加工蛋白精确识别的关键位
点。如果这一段序列发生突变，加工出来的miRNA
将较成熟的miRNA 序列发生偏移[15]。
植物中miRNA 前体的两步剪切主要是由DCL1
蛋白完成的，DCL1与动物中Dicer蛋白同源，Dicer
蛋白具有一个DExH-box RNA 解旋酶结构域、一个
在Argonaute (AGO)蛋白中也具有的PAZ结构域、两
个RNase Ⅲ结构域和一个碳端的双链RNA结合结构
域[16]。拟南芥具有四个 DCL 蛋白：DCL 3 在内源
si R N A 的积累中起作用；DC L 2 对来源于病毒的
siRNA 的有效积累是必需的；DCL4与 2个新发现的
miRNA—miR822和miR839的剪切加工密切相关[17];
而 DCL1 则参与了拟南芥中绝大多数miRNA 的剪切
加工过程。D C L 1 的完全缺失突变会引起胚胎致
死，而部分功能缺失的突变体也会因为许多成熟
miRNA 累积量的下降而引起严重的发育异常[18-20]。
拟南芥中DCL1 蛋白对于miRNA 前体的剪切加
工过程还需要有另外两个蛋白的参与：H Y L 1
(hyponastic leaves1) 和SE (serrate)。HYL1又被称
为DRB1(double-strand RNA binding protein 1)，是
拟南芥双链RNA结合蛋白家族(DRBs)的五个成员之
一，也是惟一一个和DCL1有相互作用的DRB蛋白[21]，
HYL1 蛋白与线虫的RDE4 蛋白、果蝇的R2D2 蛋白
具有较高的同源性，在 HYL1 蛋白的N 末端有两个
690 生命科学 第22卷
A 型的双链RNA 结合结构域，在体外可以与双链的
RNA 结合。HYL1 蛋白还含有一个可能的双向核定
位序列，以及C 末端一个可能与蛋白相互作用有关
的六个正向重复系列[22]。HYL1 基因的缺失突变会
造成成熟miRNA 的减少，pri-miRNA 的累积和植物
发育异常的表型，而只含有两个双链RNA结合结构
域的HYL1缺失蛋白HYL1-D12就能回复hyl1突变体
的叶卷曲表型，转基因回复植株在对激素的响应上
和野生型相同，同时成熟miR165/166的含量也回复
到了野生型的水平，这说明很有可能HYL1-D12 就
能行使体内miRNA 剪切的功能[23]。SE 基因编码一
个C2H2 型锌指蛋白，可以和HYL1 蛋白发生相互作
用，其缺失突变体中各类成熟miRNA的积累也有不同
程度的减少，并能检测到pri-miRNA的累积增加[24]，
因此，SE 蛋白被认为和 DCL1、HYL1 蛋白一起参
与了miRNA 前体的剪切过程。对于 DCL1、HYL1、
SE蛋白的亚细胞定位研究也证明了这一点，这三个
蛋白连同pri-miRNA 共同定位在相同的亚细胞小体
(dicing bodies, D小体)中，说明它们共同参与了
miRNA 前体的剪切加工过程[25-27]。
HYL1 和 SE 蛋白在miRNA 加工过程中发挥的具
体作用目前还不是很明确，一般的观点认为它们的
作用是帮助DCL1 识别miRNA 前体的结构，从而进
行精确地剪切。体外实验证明，当把原核表达纯化
的DCL1 蛋白和HYL1、SE 蛋白及pri-miR167 共孵
育时，可以比较精确地剪切出成熟的miR167 序列，
而当少加了HYL1 或 SE 蛋白中的任意一个时，剪切
的精确度就会大大降低，而当两个蛋白都不加时，
DCL1 单独剪切前体的精确度就会降得更低，这说
明HYL1 和 SE 确实有帮助DCL1 识别miRNA 前体的
结构，从而进行精确剪切的功能[28]，但是具体是怎
么帮助识别的，识别的又是什么样的结构，目前还
不得而知。除了帮助 DCL1 识别 miR NA 前体结构
外，HYL1 和 SE 蛋白还分别被发现有其他的功能，
例如，HYL1 蛋白可以帮助Argonaute1(AGO1)蛋白
在剪切完成的 miRNA 双聚体(miRNA：miRNA*)中
正确选择miRNA 链而不是miRNA* 链进入到沉默复
合体中，发挥转录后沉默的功能[29]，在这个过程
中，HYL1 可能起到了类似于动物中R2D2 蛋白的功
能。而 SE 蛋白则被证明与帽子蛋白 CBP20 ( ca p
binding protein 20)、CBP80 (cap binding protein 80)
有相互作用，在pri-miRNA 5去帽及内含子剪切过
程中发挥着重要的功能[30]。
拟南芥中除了 DCL1、HYL1 和 SE 外，新近发
现有一个蛋白DDL (dawdle)也参与了miRNA的加工
过程，DDL 基因的缺失突变体中，pri-miRNA 和成
熟 miRN A 的累积都会减少，且体外实验证明 DDL
蛋白能够结合pri-miRNA，并和DCL1蛋白有相互作
用。因此，推测它的功能可能是帮助 DCL1 更好地
与pri-miRNA 相互作用，但是具体过程还不是很清
楚[31]。
4　双链miRNA 的甲基化及出核
植物miRNA 和动物miRNA 有一个很大的不同就
是植物 miRNA 在被剪切成成熟的双聚体(miRNA：
miRNA*)以后，还需要有一步甲基化的过程。拟南
芥中HEN 1 (hua enhancer1)基因被证明和这个过程
息息相关。HEN1 编码一个甲基转移酶，最早被认
为是一个在花发育中起重要作用的基因[32]，后来因
为hen1突变体的表型和dcl1突变体有很多相似的地
方，且在该突变体中很多成熟miRNA 的累积量也大
幅度下降，人们才开始关注其在miRNA 加工过程中
的作用：因为 HEN1 蛋白是一个甲基转移酶，且大
部分已知有表型的 H E N 1 等位基因的突变体，如
hen1-1、hen1-2、hen1-4 等，其突变位点都位于
HEN1 蛋白 C 端的甲基转移酶结构域，因此，研究
者推测 HEN1 蛋白在 miR NA 加工过程中起到了对
miRNA 进行甲基化的作用。通过一系列体外的甲基
化底物检测实验，最终确定了HEN1 蛋白甲基化的
底物是成熟的miRNA 双聚体(miRNA：miRNA*)[32]。
DCL1 剪切出来的miRNA 双聚体在3 末端会有
2 个碱基的突出，这个结构对于 HEN1 蛋白的甲基
化作用是必需的，实验证明，无论是 1 个，或者
是 3 个、4 个碱基的突出，都不能被 HEN1 有效地
甲基化[33]。甲基化通常发生在成熟miRNA双链两个
3末端核酸的2羟基位置，那么这种甲基化对于成
熟miRNA的影响是什么呢？从hen1突变体中很多成
熟miRNA 的累积量大幅度下降这一现象可以推测，
甲基化很可能提高了miRNA 在体内的稳定性，而一
旦甲基化不能有效地进行，miRNA 就会因为不稳定
而造成累积量下降。体外实验的结果也很好的证明
了这一点，没有被甲基化的miRNA 更容易被3-5
核酸外切酶所降解。而在hen1突变体内也发现了很
多miRNA 因为3 没有被甲基化，更容易被加上多
个尿嘧啶的尾巴从而进入降解途径[34]。甲基化发生
的具体亚细胞定位目前还不是非常明确。
植物中 miRNA 的剪切加工是在细胞核中完成
的，但是大多数的成熟miRNA 行使功能却是在细胞
691第7期 杨　曦，等：植物mi cr oR NA 的生物合成和调控功能
质中，因此就需要有一条运输途径将其运出核。拟
南芥中发挥这一功能的是 HA S T Y 蛋白[35 ]。它将
miRNA 双聚体运送到细胞质中，接着 miRNA 进入
沉默复合体中发挥其功能。
5　miRNA 进入沉默复合体
成熟的miRNA 需要进入到一个RNA介导的沉默
复合体(RNA-induced silencing complex，RISC)中才
能发挥作用，Argonaute(AGO)蛋白是这个RISC 复
合体中最重要的蛋白，AGO 蛋白具有 PAZ 和 PIWI
两个结构域，其中PAZ结构域在Dicer蛋白中也有，
它的功能可能是用来结合 RNA，而PIWI 结构域则
具有RNA 酶 H 的活性[36]。拟南芥一共有10 个 AGO
蛋白，其中AGO1 蛋白主要参与了miRNA 途径及转
基因造成的转录后基因沉默途径；AGO 4 和 AG O 6
主要参与了重复序列产生的小RNA(repeat-associated
siRNA，ra-siRNA)途径；而AGO7 则被证明在反式
作用小RNA(trans-acting siRNA，ta-siRNA)途径中
发挥了至关重要的作用[37]。最近有研究表明，AGO
蛋白对于和自己结合的小RNA有着非常精细的选择
方式：AGO1、AGO2 主要结合21 nt 长度的小RNA；
AGO4 主要结合 24 nt 的小 RNA；而 AGO5 则同时
能结合21、22 和 24 nt 三种长度的小RNA。同时，
A G O 1 主要结合首碱基是尿嘧啶( U )的小 R N A；
A G O 2 和 A G O 4 则偏好首碱基是胞嘧啶( A )的小
RNA。而大多数miRNA 的第一个碱基是尿嘧啶，因
此，这种精细的选择方式可以保证miRNA 能够正确
的进入AGO1 所在的沉默复合体，通过序列互补的
方式与其靶基因结合，发挥功能[37]。
6　miRNA 加工的调节
值得注意的是，miRNA 的加工过程有着精细的
反馈调节机制，比如拟南芥中miRNA 加工及发挥功
能过程中最重要的两个基因 DCL1 和 AGO1，它们
分别是 miR1 6 2 和 miR1 6 8 的靶基因，当合成的
m i R N A 过多时，就会负调节这两个基因的表达水
平，从而反过来影响miRNA 的加工和作用效率，使
得miRNA和靶基因保持在一个相对稳定的水平上[38, 39]。
正是有了这种反馈调节机制，植物miRNA 才能在相
对稳定的水平上发挥精细的调控作用。另一方面，
miRNA 的靶基因很多都编码转录因子蛋白，可以反
过来调节miRNA 基因的转录。例如拟南芥生长素响
应因子(auxin response factor，ARF)基因家族已经
证明可被多个miRNA 如 miR160、miR167 和 miR390
所调控，而研究者在很多miRNA 基因的启动子区域
也发现了生长素响应因子的结合位点(ARF-binding
motifs)，这就暗示了植物的miRNA合成过程中很可
能存在着一种由生长素所介导的负反馈调节机制[12]。
同时近来也有研究表明，病毒侵染植物后，其自身
携带的沉默抑制子(silencing suppressors)也能负调节
植物内源miRNA 的加工[40]。
7　miRNA 的基因沉默作用
植物中 miRNA 对靶基因的作用，大部分表现
为对靶基因 m R N A 的降解，少部分表现为翻译抑
制，以及对反式作用小RNA (trans-acting siRNA,
ta-siRNA)的引发和对染色质甲基化的影响。这些过
程大多是由 AGO1 蛋白介导的，但也有实验证据表
明AGO4 蛋白在体外也能介导某些miRNA 靶基因的
剪切[41]。
在动物中，miRNA 通常被认为是通过不完全互
补的方式结合到靶基因 mRNA 的位点上，抑制它们
的翻译。一种观点认为，当 miRNA 仅仅部分互补
它们的靶基因时，它们就不能引起mRNA 剪切，而
是通过将mRNA聚集到生成体(processing bodies，P
bodies)中来抑制翻译，在那里被储存或降解[42]; 而
在植物中，miRN A 和靶基因的互补程度要高于动
物，大部分的植物miRNA 和靶基因都只存在4 个以
下的错配(除TCP 基因外，它们和miR319a 之间存
在着 5 个错配)。所以，在植物中，大多数 miRNA
都是通过 AGO1 介导靶基因 mRNA 的剪切降解来发
挥功能的。体外实验的结果证明，miRNA 的 5 端
对靶基因的识别和剪切更为重要，特别是miRNA 序
列的3~11碱基处，如果这段区域内出现与靶基因的
错配，那么对靶基因 mR N A 的剪切效率将大大降
低[43]。靶基因被 miRNA 剪切后，剪切产物会进入
其他的降解机制而被进一步降解，拟南芥中部分靶
基因被剪切后的3剪切产物会被5到3的核酸外切
酶XRN4(exoribonuclease 4)所降解[44]。因此，最近
有研究者利用靶基因的剪切产物会在xrn4突变体中
累积这一特性，用该突变体进行转录组的大规模测
序，从而拿到了很多靶基因的精确剪切位点[44]。
翻译抑制在动物中是miRNA 的主要作用方式，
但在植物中的相关报道却不是很多，这也和植物
miRNA 与其靶基因的匹配程度较高有关。最早发现
过表达miR172 没有引起靶基因AP2(APETALA 2)
mRNA 累积下降，反而检测到了 AP2 蛋白的含量下
降，因此认为miR172 对其靶基因AP2 有翻译抑制
692 生命科学 第22卷
的作用[45]。而 miRNA156/157 也被发现与翻译抑制
相关，通过瞬时表达分析和稳定的转基因株系，发
现拟南芥SPL3(squamosa promoter binding protein-
like 3)基因 的3非编码区含有一个功能性的miRNA
响应因子，能够互补miR156 和 miR157。转基因植
株的幼苗过量表达正常的或除去响应因子的SPL3 基
因时，SPL3 转录本的表达水平相当，但是，含有
正常拷贝响应因子的转基因植株没有检测到SPL3蛋
白的积累，而破坏了响应因子的转基因植株则检测
到SPL3蛋白的积累。说明此处miR156/157 可能是
通过翻译抑制来调控SPL3 的表达的[46]。最近又有
研究者利用密度梯度离心分离了拟南芥的核糖体组
分，并在参与蛋白质翻译的多聚核糖体中检测到了
miR168 的存在，而在其靶基因AGO1 的缺失突变体
ago1 的核糖体组分则检测不到miR168 的存在，这
说明miR168在核糖体中的定位是依赖于它的靶基因
的，它可能起到了对其靶基因AGO1 翻译抑制的作
用[47]。
ta-siRNAs 是一种内源21 个核苷酸的调控小
RNA，和 miRN A 一样，它也能下调植物细胞中特
定基因的表达[43]。ta-siRNA的加工需要miRNA的参
与。研究表明，在ta-siRNA 初级转录本上，通常
在5和3各有一个miR173或者miR390的结合位点，
需要由这两个miRNA 结合上去进行剪切，然后再由
RNA依赖的RNA聚合酶6(RNA-dependent RNA poly-
merase-6，RDR6)和另一个双链RNA结合蛋白SGS3
(suppressor of gene silencing 3)共同作用，把之前的
单链转录本变成双链结构，进而进行剪切，形成具
有连续相位性的 21 个核苷酸长度的双链 RNA[43]。
ta-siRNA可以剪切下游的靶基因，也可以引发另一
个次级ta-siRNA的剪切，就目前已知的5 个可以产
生 ta-siRNA 的 TAS 基因来说，TAS1a、TAS1b、
TAS1c和TAS2由miR173所引发；而TAS3由miR390
所引发[48]。
之前人们普遍认为，miRNA 发挥功能主要是在
细胞质中，然而随着研究的深入，其在细胞核中的
某些功能如染色质甲基化等慢慢被揭示了出来。拟
南芥miR165/166的靶基因同源异型域一亮氨酸拉链
(HD-ZIPⅢ)基因家族基因PHB (phabulosa)，在叶
片近远轴属性的建立中起到了关键作用，通过改变
其miRNA互补结合位点而产生的突变体phb-1d，可
以使体内的PHB 转录本不受miRNA165/166 的剪切
调控，在整个叶原基积累过量转录本。在正常情况
下，PHB 基因组上 miRNA 互补结合位点的下游序
列被严重的甲基化，但是在phb-1d 突变体中，这
种甲基化程度被削弱了。而且，甲基化程度降低的
片段在杂合子植株中仅仅局限在含有phb-1d 突变的
那条染色体上。这些都说明有可能miRNA 和新合成
的PHB mRNA 互相作用，从而改变相应位置的DNA
甲基化程度，引起靶基因的转录沉默[49]。在苔藓的
miRNA 研究中也发现了类似的现象，当突变掉苔藓
中的Dicer-like Ib基因时，会发现成熟miRNA的累
积不受影响，在体内可以检测到大量的miRNA 和靶
基因RNA的双链结构，但其对于靶基因的剪切作用
却丧失了，而这些靶基因的转录水平则大大下调，
这说明此时miRNA 不是依靠剪切靶基因来进行调控
的，而很可能是通过与靶基因RNA形成双链结构进
而对靶基因所在染色体位置进行甲基化，从而抑制
其转录，达到调控作用[50]。这些现象的发现说明了
miRNA 在细胞核中也可以发挥重要的调控作用，但
这些miRNA 具体怎么进入到细胞核内，是一开始就
没有被运出核还是在细胞质中结合了RISC复合体之
后又回到核内，目前还不是很清楚。
8　miRNA 对植物的调控作用
miRNA 的靶基因很多都是植物中起着重要作用
的转录因子，miRNA 通过对这些靶基因的调节，在
植物生长发育、激素响应、时期转换、抗逆抗病
等多个方面起到了至关重要的作用。
植物的生长发育及形态建成是一个复杂的调控
过程，miR N A 在其中发挥了重要的作用，最直接
的证据就是拟南芥中 DC L 1、H Y L 1、SE、A G O 1
等参与miRNA 加工或作用途径的基因的缺失突变体
都因为miRNA 累积的减少，而呈现出很多发育异常
的表型。具体到单个miRNA 的功能来说，miR165/
166的靶基因同源异型域一亮氨酸拉链(HD-ZIP III)
基因家族在拟南芥顶端分生组织的形成、器官的极
性建立和维管发育中起着关键作用，当过表达
miRNA165a 时，植物会因为HD-ZIP Ⅲ基因的下调
而呈现出植株矮小、叶片下卷、育性降低、次级
细胞壁加厚受阻等多方面的表型[51]。而 miR160 则
通过调控靶基因ARF(auxin response factor)基因家
族，在生长素响应及侧根发育中扮演着至关重要的
角色，过表达miR160会使得拟南芥根冠细胞排列紊
乱，侧根数目增多[52 ]。在番茄中，研究者也利用
突变miRNA结合位点的方法证明了miR319的靶基因
LA(Lanceolate)对于番茄复叶的发育是必需的[53]。
拟南芥SPL (squamosa promoter binding protein-
693第7期 杨　曦，等：植物mi cr oR NA 的生物合成和调控功能
like)基因家族有几个成员是miR156的靶基因，参与
了植物由幼态(juvenile)向成年态(adult)及由营养生长
到生殖生长等多个时期转换过程的调控。最近有研
究表明，miR172 通过调控靶基因APETALA 2(AP2)
家族也参与了这一过程，并与miR156 呈现出一种
有趣的关联(cross talk): miR156的靶基因SPL9和
SPL10 的蛋白可以直接结合到MIRNA172b 的启动子
区域，激活其转录。这样的关联使得 mi R1 5 6 和
miR172 在植物体内呈现出一种表达时期互补的现
象，当植物处在幼态时，miR156 的累积很高，通
过下调SPL9 和 SPL10 抑制了miRNA172b 的转录，
随着植物的生长，miR156 的累积逐渐减少，这时
miR172 的累积则逐渐增加，并通过调控自身靶基
因，帮助植物实现由营养生长向生殖生长的转化[54]。
miR156 和 miR172 的这种时期互补的表达模式在玉
米中也得到了证实[55]。
除了调控植物发育外，miRNA 还广泛参与了植
物对于外界刺激的响应，特别是一系列抗逆途径。
例如拟南芥中miR398 就被报道和铜缺乏响应有关。
拟南芥的SPL7蛋白是一个在铜缺乏响应过程中重要
的转录因子，参与调控了质体蓝素和细胞色素c6的
相互转换。体外实验证明，S P L 7 可以结合到
miR398基因的启动子区域，激活miR398的转录[56]，
而miRNA398通过调节靶基因Cu/Zn过氧化物歧化酶
1(Cu/Zn superoxide dismutase 1，CSD1)和Cu/Zn过
氧化物歧化酶2(Cu/Zn superoxide dismutase 2, CSD2 )，
使得植物体内的铜离子集中到质体蓝素等重要的铜
蛋白上，保证植物体内光合途径等最关键的生理过
程的进行，从而抵御低铜逆境[57,58 ]。相反的，当
植物处在高铜环境中时，SPL7 介导的miR398 转录
就会降低，而靶基因 CSD1 和 CSD2 mRNA 累积增
多，使得植株对于高铜产生的氧化胁迫的耐受性大
大增加[57]，此外，还有很多 miRNA 被报道参与了
植物抗逆的各个途径，如miR169 通过调控靶基因
NF-YA5(nuclear factor YA5) 参与了拟南芥抗旱[59]，
miR393则在水稻抗盐碱的过程中发挥了重要的作用[60]。
植物病害是一个广泛影响植物生长发育的生物
因素，因此植物在长期的进化过程中也形成了一系
列抗病的机制，miRNA 在这其中也起到了关键的作
用。例如在白菜中，miR1885 被发现受芜菁花叶病
毒侵染所诱导，通过调控生长素受体—核苷酸绑定
位点—亮氨酸富集区(TIR-NBS-LRR)类抗病基因介导
了白菜抵御病毒侵染的过程[61]。在拟南芥中也发现
miRNA 可以通过阻断生长素信号传导途径，提高植
株对细菌侵染疾病的抗性[62]。
9　植物miRNA 研究的展望
作为Science杂志评出的2002年十大科技突破
中的第一名，miRNA 自发现伊始就引起了人们的广
泛关注，成为近年来生物学领域研究的一大热点。
通过世界各国研究者的不懈努力，在这个领域已经
取得了很多突破性的进展，但仍有一些关键性的问
题有待解决，这也将是植物miRNA 领域下一步研究
的重点和方向。
miRN A 的进化是一个重要的课题。虽然植物
miRNA 具有很强的保守性，但是值得注意的是，目
前miRNA 研究最为深入的两种模式植物拟南芥和水
稻之间仍然有一半以上的miRNA 不具备保守性，这
说明 miRNA 基因的进化是非常快的，在某种程度
上，miRNA 基因的保守程度可以用来衡量两个物种
在进化树上的距离远近。当然要达到这个目的，就
需要获得更多物种的miRNA 基因信息，从最原始的
单细胞植物到被子植物，通过对其miRNA 基因信息
的比对和分析建立起联系，也许可以为植物的进化
研究提供一种新的手段[4]。
miRNA 前体剪接过程中 DCL1、HYL1 和 SE 的
分工协作是如何进行的。虽然目前已经找到了很多
参与植物miRNA 合成的基因，并初步了解了其在这
一过程中所发挥的作用，但是还有很多重要的细节
是不清楚的。比如HYL1和 SE蛋白是怎样帮助DCL1
蛋白准确地识别miRNA 前体的结构从而完成精确剪
切的；再比如 RISC 复合体是如何有效的选择成熟
miRNA 双链结构中miRNA 的那条链而不是miRNA*
的那条链进入自身发挥功能的等等。这些问题的研
究，将有助于我们更加清晰的认识植物miRNA 加工
的细节，也能让我们更好的把miRNA 技术(如人工
miRNA 等)运用到生产实践中去。
miRNA 基因的启动子是如何行使调控作用的。
一个miRNA 对应两个或两个以上的miRNA基因，而
这些miRNA 基因的结构和表达模式各不一样。这些
不同的miRNA 基因有可能在植物不同时期、不同部
位和不同环境条件下有不同的表达模式，以满足植
物的特殊需求。了解这些启动子的功能和特点，将
有助于我们搞清楚miRNA 精细调控的多样性和广泛
性。
miRNA 通过翻译抑制使植物靶基因沉默是近年
来出现的一个新话题。植物miRNA 对于靶基因的影
响主要体现在对靶基因 mRNA 的剪切上，而动物中
694 生命科学 第22卷
的作用机制则以翻译抑制为主，随着研究的深入，
有几个植物 m i R N A 被发现除了能够剪切靶基因
m R N A 外，也有翻译抑制的功能。那么，会不会
有更多的植物miRNA 兼顾翻译抑制的特性，而在剪
切和翻译抑制之间 miRNA 是如何选择并保持平衡
的，这些都是等待研究者去攻克的难关。
新的 miRNA 在不断出现。随着研究的不断深
入，越来越多的植物miRNA 将被发现并加以验证。
除了生物信息学预测外，各种正向遗传学、小RNA
高通量测序和突变体的研究都有可能发现新的
miRNA[14]。通过正向遗传学发现的miRNA 只有很少
数几个，但是利用这种方法的优势在于可以在分离
miRNA 基因的同时研究它在植物形态发育、激素响
应等方面的功能[14]。例如在拟南芥中分离到的一个
早花的突变体，其表型就是由于miR172 过表达造
成的[63]。同样是在拟南芥中，miR319 的过表达会
引起叶片皱褶的异常表型[64]。而新近分离到的一个
miR160a 的缺失突变体，则出现了花发育和生长素
响应等多方面的异常表型[65]。
越来越多植物物种基因组测序的完成，使得利
用生物信息学的手段在全基因组水平进行miRNA 基
因的寻找和预测成为了可能。通过对RNA二级结构
折叠结果的判断和与已知的拟南芥、水稻miRNA 的
同源比对，在玉米中找到了 150 个 miRNA 基因位
点，它们属于26 个 miRNA 基因家族，其中有25 个
家族的成熟miRNA 已经在对玉米的小RNA测序中检
测到[66]。
与此同时，植物miRNA还被报道参与了除直接
调控靶基因 mRNA 之外的其他过程，如染色质的甲
基化等等。那么，它们是如何参与到这一过程中
的，除了甲基化之外，miRN A 还会不会参与到其
他调控过程中去。这些问题的解决，将有助于我们
对植物miRNA 的功能有一个更加清晰明确的认识。
可以相信，随着 RNA 分子生物学的发展，人们对
miRNA 生物合成和调控作用的认识将不断深入和扩
展，利用人工miRNA 改良作物的农艺性状将会成为
新的趋势。
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