全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (10): 929~940 929
收稿 2012-07-02　　修定 2012-08-13
资助 黑龙江省自然科学基金(C201016)、哈尔滨市科技创新人
才研究专项资金项目(2010RFQXN097)和公益性行业(农
业)科研专项经费(200903018)。
* 通讯作者(E-mail: qijiangxu@126.com; Tel: 0451-82191783)。
MicroRNA调控被子植物花发育的研究进展
黄赫, 徐启江*
东北林业大学生命科学学院, 哈尔滨150040
摘要: MicroRNA (miRNA)是一类由内源基因编码的长度为21~23 nt的非编码单链小RNA分子, 通过与靶基因的互补位点
结合而降解或抑制靶mRNA的翻译, 从而在转录后水平上调控基因的活性。miRNA在调控植物发育方面发挥着广泛的作
用。从成花诱导到花器官特征属性的形成, miRNA在整个花发育过程均发挥着关键作用。miR172和miR156/157参与由营
养生长向生殖生长转换的调控, miR172和miR169在花发育的早期阶段通过界定靶基因的表达区域而调控花器官的属性,
miR319、miR159、miR164以及miR167在花发育的晚期阶段决定细胞的特化。文章综述了miRNA调控被子植物花发育的
研究进展, 为深入了解miRNA的作用机制奠定基础。
关键词: microRNA (miRNA); 花发育; 转录后调控
Progress in Research of MicroRNA Regulation on Angiosperm Flower Devel-
opment
HUANG He, XU Qi-Jiang*
College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: MicroRNA (miRNA) are approximately 21–23 nucleotides (nt) long, small single strand non-coding
RNAs which are encoded by endogenous genes. miRNA plays a key role in regulating gene activity at post-
transcriptional levels by binding to complementary sites in target genes causing degradation and/or translational
repression of the target mRNAs. miRNA function broadly to regulate many aspects of plant development. miR-
NA function throughout flower development, from the floral induction to floral organ specification. miR172 and
miR156/157 play a critical role in the vegetative to reproductive transition. miR172 and miR169 control floral
organ identity fate during the early stages of flower development by defining the spatial boundaries of expres-
sion of target genes. miR319, miR159, miR164, and miR167 specify particular cell types during later stages of
flower development. This review focuses on research progress in roles of miRNA in angiosperm flower devel-
opment and provides a basis for better understanding the function mechanism of miRNA.
Key words: microRNA (miRNA); flower development; post-transcriptional regulation
miRNA是由内源基因编码、长度为21~23 nt
的非编码小RNA分子, 作为负调控因子主要在转
录后水平上调节基因的活性(Hüttenhofer等2002)。
在植物中, miRNA发挥作用的基本过程如下: (1)内
源miRNA基因在RNA聚合酶II的作用下形成pri-
miRNA; (2) pri-miRNA在DDL (DWADLE)蛋白作
用下形成较为稳定的初级茎环结构(Yu等2008); (3)
这个初级结构在类似RNase-III的DCL1 (DICER-
LIKE1)蛋白(Kurihara和Watanabe 2004)、锌指蛋
白SE (SERRATE) (Grigg等2005; Kurihara等2006;
Yang等2006a; Laubinger等2008)以及双链DNA结
合蛋白HYL1 (HYPONASTIC LEAVES 1) (Han等
2004)的共同作用下形成发夹结构的pre-miRNA;
(4) pre-miRNA被DCL1再次处理后形成miRNA-
miRNA*复合物(Dong等2008), 该复合物的3端被
HEN1 (HUA ENHANCER 1)甲基化(Park等2005;
Yang等2006b; Yu等2005); (5)甲基化修饰的miR-
NA-miRNA*复合物在Exportin5的同系物——
HASTY协助下从细胞核进入细胞质(Park等2005);
(6)在细胞质中, miRNA*被降解而miRNA与细胞质
内的一些酶形成RISC复合物, 该复合物通过与靶
综　述 Reviews
植物生理学报930
mRNA的相互作用最终使得靶mRNA降解或者抑
制mRNA翻译(Nag和Jack 2010)。miRNA在植物发
育中起关键作用的证据分别来自无效等位基因
dcl1和ago1 (ARGONAUTE1)突变体的胚胎致死和
幼苗致死表型(Schauer等2002; Vaucheret等2004)。
等位基因dcl1功能部分丧失突变体表现出与dcl1突
变体一样的缺陷表型效应, 该效应主要表现在叶
片形态、叶腋分生组织维持、开花时间、花器官
样式及胚珠发育(Park等2005); 等位基因ago1功能
部分丧失突变体表现为侧生器官极性、叶与花形态
表型缺陷(Kidner和Martienssen 2004; Vaucheret等
2004)。ago1与dcl1突变体的miRNA积累总量降低,
而miRNA靶基因的表达水平升高。miRNA生物合
成系统缺陷突变体表现出的多效性发育表型证实
miRNA在植物发育过程中发挥了关键调控作用。
花发育是有花植物从营养生长向生殖生长的
转换、实现世代交替的关键环节, 涉及不同发育
方式的转换。植物感应环境因子(如光周期、温度
等)和自身内部因子(赤霉素)的诱导, 经过一系列
信号转导过程, 包括光周期途径、春化途径、自
主途径、赤霉素途径和温敏途径, 启动成花决定
过程中的调控基因, 引起花芽分化, 进而导致花器
官发生。5条调控植物开花时间的途径既彼此独
立又互相交联, 构成一个复杂的网络实现对植物
开花时间的精密调节。在拟南芥中, 这5条途径激
活开花途径整合子FLC (FLOWERING LOCUS C)、
FT (FLOWERING LOCUS T)和SOC1 (SUPPRES-
SOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1), 进
而激活花分生组织特征基因LFY (LEAFY)和AP1
(APETALA1), 花分生组织特征基因激活了花器官
特征基因, 如A功能基因AP1、AP2、LUG (LE-
UNIG); B功能基因AP3、PI (PISTILLTA); C功能基
因AG (AGAMOUS ) ; D功能基因STK (SEED-
STICK)、SHP1/2 (SHATTERPROOF1/2)以及E功能
基因SEP1/2/3/4 (SEPALLA1/2/3/4)。基于对拟南芥
和金鱼草花同源异型突变体的分析, 研究者提出了
调控被子植物4轮花器官发育的“ABC”模型(Coen
和Meyerowitz 1991)。随后发现了控制胚珠发育的
D功能基因(Colombo等1995; Angenent等1995)以
及控制花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊发育的E功能基
因(Pelaz等2000), “ABC”模型被拓展为“ABCDE”
模型(Theiβen 2001): A＋E功能基因调控萼片的发
育, A+B+E功能基因调控花瓣的发育, B+C+E功能
基因调控雄蕊的发育, C+E功能基因调控心皮的发
育, C+D+E功能基因调控胚珠的发育。最后, 花器
官特征基因激活下游决定组织和细胞类型的基因,
从而形成各轮花器官(Simpson和Dean 2002; Lee和
Lee 2010; Srikanth和Schmid 2011)。控制被子植物
花发育的分子机理已成为植物发育生物学关注的
焦点, 研究表明, miRNA在被子植物花发育过程中
发挥着至关重要的作用(Jones-Rhoades等2006)。
miRNA通过与靶基因mRNA的3或5端(大多数在3
端)的miRNA结合位点发生特异结合而调控花发
育并影响花器官性状。本文重点综述了miR172、
miR156、miR157、miR164、miR165/166、miR167等
miRNA家族基因在花发育中的生物功能及其作用
机制。
1 miR172调控拟南芥开花时间和花器官特性相关
的基因AP2的表达并调控玉米花序的发育
拟南芥中存在5个编码miR172家族的基因,
miR172通过调控AP2-like基因的表达而影响开花
时间(Aukerman和Sakai 2003)、花器官属性(Chen
2004)和花的确定性(Zhao等2007)。在由营养生长
向生殖生长转换的过程中, 含有miR172结合位点
的AP2转录因子基因TOE1 (TARGET OF EAT1)、
TOE2、SNZ (SCHNARCHZAPFEN)和SMZ (SCHL-
AFMUTZE)受miR172的调控(Jung等2007), miR172
通过降解靶mRNA和抑制其翻译两种方式发挥功
能(Aukerman和Sakai 2003; Chen 2004; Jung等2007;
Schwab等2005)。这4个基因中任何一个组成型表
达都会出现开花延迟的表型。然而, miR172过表
达或toe1功能缺失突变体表现为早花表型(Auker-
man和Sakai 2003; Jung等2007)。完成营养生长向
生殖生长转变后, 拟南芥的miR172表达水平升高,
致使TOE基因活性降低, 这些证据表明, TOE基
因表达水平下调是诱导拟南芥启动开花程序所
必需的。
miR172在长日条件下表达量增加以及在co和
ft突变体中日长对miR172影响作用被扰乱的事实
表明, miR172参与了诱导拟南芥开花的光周期途
径(Schmid等2003)。光周期途径中, 其表达受节律
钟调控的GI (GIGANTEA)基因在CO (CONSTANS)
上游起作用, CO通过激活FT基因转录而促进开花
(Mizoguchi等2005), 而miR172却以独立于CO的途
黄赫等: MicroRNA调控被子植物花发育的研究进展 931
径诱导FT基因表达, 从而参与到光周期成花途径
中(Jung等2007)。在miR172促进开花途径中, 光周
期调控miR172的丰度是通过GI介导的miR172加工
成熟而不是GI促进miR172基因的转录。成熟的
miR172会逐渐降低TOE1和TOE2基因的转录水平,
相应地会提升FT基因的转录水平。此外, GI还可
以通过与FT抑制子SVP (SHORT VEGETATIVE
PHASE)、TEM1 (TEMPRANILLO)、TEM2或FT
启动子结合而直接激活FT (Sawa和Kay 2011)。
miR172在花器官特征属性决定方面也发挥着
关键作用。编码参与miRNA加工成熟的甲基转移
酶的基因HEN1 (HUA ENHANCER 1)与ag-4突变体
的异常表型相关, 表明miRNA可能参与调控花器
官特征属性(Boutet等2003)。ABCDE模型指出, 调
控花器官特征属性基因AP2和AG之间通过相互抑
制限制彼此的表达区域而发挥各自特化花被器官
和生殖器官的作用。AP2对AG的表达抑制需要
LUG (LEUNIG)、SEU (SUESS)、SAP (STERILE
APETALA)和ANT (AINTEGUMENTA)基因的参与
(Liu和Meyerowitz 1995; Elliott等1996; Klucher等
1996; Byzova等1999; Conner和Liu 2000; Franks等
2002)。在金鱼草中, AP2的同源基因LIP1和LIP2
却不能抑制C功能基因在第1和2轮花中异位表达,
而是由FIS (FISTULATA)、STY (STYLOSA)和CHO
(CHORIPETALA)介导了对C功能基因的表达抑制
(Jack 2004)。此外, 在AP2蛋白的协助下, LUG/
SEU结合到miR172启动子上共同抑制miR172在花
的第1和2轮表达, 说明AP2可抑制miR172的表达
(Grigorova等2011)。生物信息学分析发现AP2基因
具有1个miR172结合位点(Jones-Rhoades等2006)。
而且, 组成型表达miR172的转基因株系表现出与
ap2突变体相似的花器官表型, 说明miR172在花器
官特征属性决定过程中下调AP2的活性 (Chen
2004; Zhao等2007)。在花发育过程中, miR172下
调AP2活性对生殖器官的适当发育和花干细胞生
长的及时终止是非常关键的; miR172对于AP2的抑
制作用可能通过依赖AG基因和独立于AG基因[可
能为CLV (CLAVATA)途径]的两条路径并最终整合
于WUS (WUSCHEL)途径来影响花分生组织形状
维持和干细胞生长, 同时也定义了B功能基因(AP3
和PI)表达域的内边界, 可能是通过依赖于AG基因
的途径完成的(Zhao等2007)。在开花早期miR172
对于AP2基因的抑制作用主要被限制在花原基中
心将形成雄蕊和心皮的3、4轮区域(图1-A; Nag和
图1 miRNA调控拟南芥花发育的机制
Fig.1 Regulation of Arabidopsis thaliana flower development by miRNA
A: miR172调控拟南芥花发育的机制; B: miR159/164/165/166/167/319调控拟南芥花发育的机制; C: miR156/157/172e调控拟南芥花发
育的机制。A和B中从外到里各层依次为萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊; ┷表示抑制作用, →表示促进作用。
植物生理学报932
Jack 2010)。在第3和4轮 , AP2作为调控靶位 ,
miR172可降解AP2 mRNA (Schwab等2005; Jung等
2007)或抑制其翻译(Chen 2004)。
miR172还是玉米花序发育的重要调控因子。
由TS4 (TASSELSEED4)编码的miR172e与AP2类转
录因子IDS1 (INDETERMINATE SPIKELET1)和
SID1 (SISTER OF IDS1)结合而控制花的性别以及
分生组织细胞的命运(Nag和Jack 2010; Chuck等
2007; Chuck等2008)。IDS1和SID1促进小穗分生
组织(spikelet meristems, SM)发育为花分生组织
(floral meristem, FM), 而miR172负调控IDS1和
SID1, 且IDS1负调控SID1。
研究发现, miR172还是一类应答环境温度信
号的miRNA (miR156, miR163, miR169, miR172,
miR398, miR399)之一(Lee等2010)。在23 ℃或16
℃条件下, 过量表达miR172a的植株均表现为早花,
说明应答环境温度信号的miR172活性的改变会影
响拟南芥对环境温度信号的应答。那么, miR172
如何将环境温度信号整合到开花遗传途径中？拟
南芥的温敏开花途径中的信号传递有赖于FCA
(FLOWERING CONTROL LOCUS A)和FVE的参与
(Blázquez等2003), FCA通过调控非编码翻译RNA
对邻近多聚腺苷化位点的选择而在表观遗传学水
平上调控开花抑制子FLC的表达 (Liu等2010;
Hornyik等2010)。23 ℃条件下miR172的积累是
FCA促进pri-miR172加工成熟的结果。FCA与FY
协同调控pri-miR172的3′-末端加工过程(Simpson
等2003), 形成有利于pri-miR172加工成熟的二级
结构, 通过RNA识别基序, FCA与pri-miR172茎环
结构的侧翼序列结合, 招募DCL1复合体的核心组
分(Jung等2012)。FCA-miR172可能是由FLC、
FVE和SVP介导的多条温敏开花信号通路中的一
条, 并不是关键通路, 仅对环境温度启动开花机制
发挥微调作用。
MADS-box蛋白SVP在FCA和FVE的下游起
作用, 遗传学分析表明, SVP不能调控FLC的表达
(Lee等2007), 然而二者免疫共沉淀的事实表明
SVP与FLC可能在温敏途径中协同起作用, SVP优
先与FT启动子的vCArG基序结合、FLC优先与FT
第一个内含子的CArGVII基序结合, 因此SVP可能
以FLC依赖的方式调控FT等基因的表达(Lee等
2007; Li等2008)。在23 ℃或16 ℃条件下, svp-32突
变体的miR172a表达量升高, 说明miR172在SVP的
下游起作用, miR172下调具有开花抑制活性的靶
基因(如TOE1、SMZ等), SVP-miR172信号最终汇
集于FT, 从而使svp-32表现为早花(Lee等2010)。
过量表达miR172不仅上调FT的表达, 而且还降低
FLC的表达。但是, 过量表达TOE1和SMZ并不能
改变FLC的表达水平, 表明在温敏途径中, miR172
的靶基因可能以间接方式调控FLC的表达。FLC
在miR172介导的开花信号通路中的作用还有待于
进一步研究。
2 miR156对生长周期转变和开花诱导的调控
对于有花植物来说, 在其发育的每个阶段, 茎
尖分生组织的周围会形成形态和功能不尽相同的
特定器官。拟南芥发育过程有3个重要转变: 胚胎发
育阶段向营养生长阶段的转变(vegetative phase
change)、营养生长阶段向生殖生长阶段的转变(re-
productive or floral transition)和分生组织特征的转
变(meristem identity transition, MI转变) (Yamaguchi
等2009; Poethig 2003)。在整合内外开花诱导途径
的信号后, 有花植物经历MI转变, 茎尖分生组织周
围的花原基形成生殖结构——花, 这一重要过程是
由植物特异性转录因子LFY和MADS-box家族成员
AP1/FUL (FRUITFULL)调控的(Yamaguchi等2009;
Benlloch等2007; Litt和Irish 2003)。事实表明,
LFY、AP1和FUL基因中任何一个表达水平上调都
会引起早熟的分生组织特异性转变(Yamaguchi等
2009; Ferrandiz等2000; Mandel和Yanofsky 1995;
Weigel和Nilsson 1995)。然而, 仅仅依赖这3类基因
还不足以解释开花转变这一重要过程, 其中还涉
及金鱼草中能与SQUA启动子结合并调控其表达
的SQUA启动子结合蛋白(SQUAMOSA PROMOT-
ER BINDING PROTEIN, SBP) (Klein等1996), 连同
拟南芥及苔藓中的SBP统称为SPL (SQUAMOSA
PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE)。SPL蛋
白均含有一个结合DNA所必需的高度保守结构域
SBP-box (Birkenbihl等2005), 其中部分SPL蛋白拥
有miR156的作用靶点。
miR156是拟南芥、玉米和水稻等生育周期转
变的关键调控因子(Poethig 2009)。拟南芥基因组
共编码6个miR156基因, 这些基因在不同物种间很
保守(Yamaguchi等2009; Xie等2005), 上调表达这
些基因都会延迟营养阶段向生殖阶段的转变。拟
黄赫等: MicroRNA调控被子植物花发育的研究进展 933
南芥miRNA核输出蛋白基因HASTY (HST)功能缺
失突变体能加速幼年期向成年期的转变(Telfer和
Poethig 1998), hst突变体中miR156表达水平显著高
于野生型, 且幼年期显著高于成年期; 组成型表达
miR156能显著延迟植株生长周期转变和开花(Wu
和Poethig 2006); 过表达miR156模拟序列(mimic
sequence)则使植株提前开花(Wu等2009)。这些研
究结果表明, miR156对拟南芥幼年期的发育是必
要的。
拟南芥具有16个SBP家族转录因子, 其中11个
转录因子受miR156家族miRNA的转录后调控
(Gandikota等2007; Schwab等2005; Wu和Poethig
2006)。SPL3、SPL4和SPL5功能冗余, 主要调控开
花时间 , 上调其表达水平会使MI转变提前 ; 而
SPL9和SPL15主要调节叶片生长速率(Cardon等
1997; Gandikota等2007; Schwab等2005; Schwarz等
2008; Wang等2008; Wu和Poethig 2006)。在启动开
花和花分生组织决定方面, SPL9启动FUL、SOC1
和AGL24 (AGAMOUS-LIKE 24)的转录(Wang等
2009); SPL3启动FUL、LFY和AP1的转录(Wang等
2009; Wu和Poethig 2006; Yamaguchi等2009);
SPL4/5启动FUL、SOC1、LFY、AP1和FT的转录
(Wu和Poethig 2006)。因此, SPL基因可能是启动
并控制拟南芥开花的一个新的通路。在玉米和拟
南芥中, 营养生长早期miR156高水平表达, 随着发
育进程表达水平下降。当miR156的含量逐渐降低
时, 其靶基因SPL的表达量逐渐上升, 进而激活下
游基因的表达, 诱导植物开花。
SPL9和SPL15由于具有结合miR172e的调控
位点而介导miR156对于miR172的调控, 而miR172e
可以通过抑制TOE1和TOE2基因的活性(图1-C;
Nag和Jack 2010; Wu等2009)来介导miR156对于
miR172的调控。玉米中, 拥有miR172结合位点的
GL15活性提高可增加幼态特征的叶片数目并延迟
开花。在营养生长的早期阶段表达量很低的
miR172随着发育进程其表达水平不断升高, 进而
使得GL15表达下调, 促进植株由幼苗期向成年期
转变。营养生长早期高水平表达的miR156, 在发
育后期表达水平逐渐降低, 通过靶基因SPL而间接
调控miR172, miR156与miR172表现拮抗效应(Wu
和Poethig 2006)。
最近研究表明, 作为对环境温度的应答, miR156-
SPL3相互作用模块和FT基因共同调控温敏植物的
开花时间(Kim等2012)。因此, miR156对于开花植
物的阶段转变、开花时机、生殖器官花的形成起
着重要的调节作用, 同时也可以调控其他miRNA
(如miR172)的活性。
3 miR157调节拟南芥阶段转变和开花诱导
拟南芥SPL3、SPL4和SPL5的3-UTR上以及
其他受miR156家族miRNA调控的SPL基因的编码
区上还具有miR157的结合位点, 表明这些SPL基因
可能同时受miR156和miR157调控 (图1-C)。
Gandikota等(2007)利用实时定量PCR和Western杂
交对不同类型转基因植株中幼苗和花序中SPL3的
mRNA和蛋白水平进行检测的结果表明, miR156和
miR157在拟南芥发育早期主要通过抑制SPL3
(Kasschau等2003) mRNA的翻译来防止提前开花,
而在成年叶片和花序生长时期miR156和miR157水
平达到最低, 使得SPL3等基因得以积累来调控花
的形成。miR156和miR157对SPL3的调控方式与
miR172对AP2的调节方式相类似, 很可能是通过同
一个或者类似的机制来完成(Gandikota等2007), 值
得进一步讨论。转基因实验证明许多植物中的
miR156/157都具有诱导浓密叶片的形成和延迟营
养阶段向生殖阶段转变的功能。而且miR156/157
对SBP-box基因的调控方式在物种间保守, 例如玄
参科植物夏堇中的miR156/157能通过抑制SPL3
mRNA的翻译来防止过早开花。过量表达miR157b
基因的夏堇形成浓密叶片的现象, 既可应用于增
加生物量和作物生产, 也可应用于园艺植物的分
子育种(Shikata等2012)。
4 miR164通过控制CUC1、CUC2来调节拟南芥花
瓣数量、萼片和花瓣的器官发生及花器官边界的
形成
miR164家族包括3个成员: miR164a、miR164b
和miR164c, 在茎尖分生组织两侧器官的分化、器
官边界的形成和器官的增殖过程中发挥着重要的
作用。miR164特异调控的靶基因是NAC家族基因
CUC1 (CUP-SHAPED COTYLEDON1)和CUC2
(CUP-SHAPED COTYLEDON2), 这两个基因在分
生组织维持和侧生器官分离过程中起作用(Aida等
1997), 其中CUC2的功能可能是抑制细胞分化、促
进分离花器官的发育(Takada等2001)。miR164c功
能缺失突变体eep1 (early extra petals 1)在开花初
植物生理学报934
期的花中出现多余的花瓣, 表明miR164c是一个重
要的花瓣数量调节因子(Baker等2005)。miR164c/
miR164a/miR164b三突变体的心皮融合、花瓣与
萼片数增加、雄蕊数减少、花器官大小和叶序发
生变化(Sieber等2007), 在CUC1和CUC2不受
miRNA调控的株系中也出现相似的表型。表明这
类紧密相关的miRNA尽管功能相互冗余, 但可能
是由于其表达模式的差异而在植物发育过程中发
挥着不同的作用。
miR164以及CUC1和CUC2基因的RNA在花
器官轮间和轮内的边界区域表达并存在部分重叠,
在miR164c/miR164a/miR164b三突变体中, CUC1和
CUC2基因的表达区域稍有扩展, 但是其表达水平
却显著增加(Sieber等2007), 这说明miR164主要调
控CUC1和CUC2 mRNA的表达水平, 而不是界定
这些mRNA的表达区域。miR164主要通过降解靶
基因CUC1和CUC2的mRNA发挥功能(Mallory等
2004a)。Huang等(2012)提出由RBE (RABBIT EARS)
编码的C2H2锌指结构转录抑制因子RBE直接作用
于miR164c的启动子区域并使其表达量下调, 从而
控制其靶基因CUC1和CUC2的积累, 最终调控萼
片和花瓣的器官发生这些重要的发育事件。因此
miR164c主要在开花早期通过控制CUC1和CUC2
mRNA的积累而不是限定它们的表达区域来调节
花瓣的数量和花器官边界的形成以及萼片和花瓣
的器官发生(图1-B), 然而miR164a和miR164b在花
芽时期对于花瓣数量的调节作用微乎其微(Baker
等2005)。
5 miR165/miR166调控花分生组织发育和花器官
近远轴极性
miR165/miR166与其靶基因协同调控植物的
系列发育过程 , 包括茎尖和侧面的分生组织形
成、叶片的极性、花发育和导管发育。miR165/
miR166的靶基因包括HD-ZIPIII转录因子基因PHB
(PHABULOSA)、PHV (PHAVOLUTA)、REV (REV-
OLUTA)、CNA (CORONA)和ATHB-8。miR165/
miR166主要通过调控HD-ZIPIII类转录因子PHB的
分布来实现花器官近轴-远轴的极性建成(Hus-
bands等2009; Mallory等2004b)。miR166通过对靶
基因ATHB15的直接切割而影响拟南芥花序中维管
组织的发育, 从而影响花器官极性(Kim等2005);
miR165/miR166动态调控茎尖分生组织SAM (Shoot
apical meristem)和花发育的途径与WUS-CLV途径
类似, 主要是通过结合并降解编码HD-ZIPIII类转
录因子的mRNA从而对茎尖分生组织和花分生组
织的发育进行微细调控(Jung和Park 2007; McCon-
nell等2001; Otsuga等2001; Emery等2003; Prigge等
2005)。
6 miR167调控开花植物的繁殖能力(包括雄蕊的
可育性)
植物生长激素在生长和发育过程中发挥着关
键性作用。在拟南芥中, Aux/IAA和生长素应答因
子ARF (AUXIN RESPONSE FACTORS)是介导生
长素响应的2个重要蛋白家族, 属于生长素早期反
应基因的转录调控因子(Hagen和Guilfoyle 2002),
在转录水平激活或抑制调节生长素反应的基因。
ARF通过结合生长素应答家族基因成员GH3启动
子上的顺式元件而完成对生长素信号的应答(Ul-
masov等1997)。组成型表达miR167的植株出现与
arf6/arf8双突变体相似的表型, 即雄蕊花丝变短、
花药不能适时散粉、雌性不育(Nagpal等2005; Wu
等2006), 说明生长素应答因子ARF6和ARF8基因
是miR167的直接靶点。在内源ARF6和ARF8基因
调控序列的控制下, 抗miRNA的ARF6和ARF8基因
的表达使植株产生雌雄均不育的花。在胚珠和花
药中miR167和ARF6/ARF8的表达模式是互相排斥
的(Wu等2006)。因此, miR167主要通过降解ARF8
mRNA和抑制ARF6 mRNA的翻译来调控这两个基
因的表达进而对植物的发育产生影响, miR167界
定ARF6和ARF8在雄蕊和胚珠中的正确表达区域
(Wu等2006), 确保萼片、花瓣、花药、雌蕊和胚
珠的正常发育 , 包括其外在形状、内部细胞大
小、花粉粒萌发率以及柱头、胚轴的长短等等性
状(图1-B) (Ru等2006)。当然, 除了miR167以外还
有一些其他的miRNA是通过影响生长素应答对植
物发育(包括花发育)产生广泛的影响。如miR393
通过结合生长素受体家族基因TIR1 (TRA-NSPORT
INHIBITOR RESPONSE 1)和AFB (AUXIN SIGNAL-
ING F-BOX)来维持花的正常发育(Nag和Jack
2010), 但是其具体调节机制还有待考证。
7 miR169抑制金鱼草和矮牵牛花被中C功能基因
的活性
被子植物花器官发育的ABC模型指出, A和C
功能基因的活性相互拮抗, A功能基因抑制C功能
黄赫等: MicroRNA调控被子植物花发育的研究进展 935
基因在第1、2轮花器官中表达, C功能基因抑制A
功能基因在第3、4轮花器官中表达。拟南芥A功
能基因对C功能基因的活性抑制是由AP2和一系列
其他的调节因子如LUG (LEUNIG)、SEU (SUESS)、
SAP (STERILE APETALA)和ANT (AINTEGU-
MENTA)来完成的(Goodrich等1997; Liu等1995;
Franks等2002)。CURLY LEAF (CLF)也是AG基因
的抑制者, 能够抑制AG在第1和2轮中异位表达
(Goodrich等1997)。在金鱼草中, AP2的同源基因
LIP1 (LIPLESS1)和LIP2 (LIPLESS2)在决定花器官
特征属性方面具有一定的功能冗余, 但并不能抑
制C功能基因在第1和2轮中异位表达 (Keck等
2003), 而是由FIS (FISTULATA)、STY (STYLOSA)
和CHO (CHORIPETALA)介导了对C功能基因的表
达抑制(Jack 2004)。金鱼草和矮牵牛中C功能基因
的活性分别由BL (BLIND)和FIS编码的miR169所
抑制。miR169的靶基因是NF-YA (又称为HAP2或
CBF-B)转录因子家族成员, 这类转录因子可与AG
直系同源基因(如PLE/pMADS3等)第2个内含子的
CCAAT盒结合(Cartolano等2007)。在拟南芥中,
miR169调控参与防御干旱胁迫的NFYA5基因, 但
是不能调控抑制C功能基因活性的NFYA。由此推
测, miR169主要在金鱼草和矮牵牛花被中通过抑
制C功能基因活性维持花的正常发育。
8 miR319a调节拟南芥花器官的大小和形状
miR319基因家族包括3个成员: miR319a、
miR319b和miR319c。过量表达miR319a基因可使
植株叶片边缘呈现锯状化的jaw-D表型, 推定mi-
R319a基因在叶片发育过程中起作用(Palatnik等
2003)。但是, 启动子活性检测结果表明, miR319a、
miR319b和miR319c基因主要在花发育晚期花序的
特定部位表达(Nag等2009), 并证明miR319a在调控
花器官的大小和形状方面也发挥关键作用。在花
序中过量表达和沉默miR319a基因, TCP (TEOSIN-
TE BRANCHED/CYCLOIDEA/PCF)类转录因子
TCP2、TCP3、TCP4、TCP10和TCP24的mRNA
水平相对于野生型花序中的mRNA水平分别表现
为下降或者上升, 表明miR319a可能通过调控TCP
基因而在花发育过程中起作用。这些TCP基因对
细胞生长和促进细胞增殖起负调控作用(Crawford
等2004; Efroni等2008; Luo等1999)。
miR319a功能缺失突变体的花瓣宽度变小、
花瓣和雄蕊长度减小(Nag等2009)。时空表达模式
分析表明, miR319c在靠近幼叶的区域表达, 主要
在叶片发育过程中起作用; 而miR319a不在叶片中
表达。尽管3个miR319基因均在花序中表达, 但是
miR319a在发育早中期的花瓣和雄蕊中高丰度表
达。tcp4等位基因的miR319结合位点突变能够互
补miR319a功能缺失突变的表型(Nag等2009; Palat-
nik等2007)。tcp4突变体的花发育正常, 而tcp4/mi-
R319a双突变后能对miR319a突变体的花发育缺陷
产生强烈的抑制作用。因此, 在花发育中TCP4是
miR319a的关键靶基因。
在拟南芥雄蕊发育过程中, AP2类转录因子
DRNL起着至关重要的作用 , 为了分离其他与
DRNL一同在花器官发育过程中起作用的因子,
Nag等(2009)通过增强子筛选和图位克隆的方法获
得miR319a129基因。miR319a129基因由成熟的mi-
R319a基因的第12个碱基位置G突变成A而形成
的。在花瓣和雄蕊发育过程中, miR319a129基因主
要通过直接调节TCP转录因子和间接调节DRNL
转录因子而影响花瓣和雄蕊的形状(图1-B), 并且
与B功能MADS-box基因AP3存在着间接的联系
(Nag等2009)。
9 miR159通过结合MYB类因子发挥其在花发育方
面的宽泛作用
miR319a基因对于雄蕊发育的调节主要依赖
于该基因对于MYB转录因子MYB33和MYB65的
交叉调控, 而这种调节作用很弱, 远远低于与miR-
319家族序列极其相似的miR159家族基因对MY-
B33和MYB65的调节作用。miR159家族包括mi-
R159a、miR159b和miR159c, 是植物王国里一类最
古老的miRNA (Axtell 2008), 也是拟南芥中含量最
丰富的miRNA (Kasschau等2007; Rajagopalan等
2006; Nakano等2006)。MYB33、MYB65、MYB81、
MYB97、MYB101、MYB104和MYB120是miR159
的靶基因, 但是遗传学分析表明miR159主要通过
调节MYB33、MYB65和MYB101/DUO1 (DUO
POLLEN1)的表达来发挥其在花发育方面(包括花
药的正常发育)方面的作用(图1-B) (Millar和Gubler
2005)。
miR159a过表达植株的雄蕊发育不全、育性
降低。miR159a或miR159b功能缺失突变体不能形
成完整的花; miR159a/miR159b双突变体植株矮
植物生理学报936
化、顶端优势降低、育性降低、种子形状不规
则。miR159a和miR159b不在花药中表达, 而靶基
因MYB33和MYB65在花药中表达, 从而保证花药
的正常发育(Allen等2007)。尽管miR159c对于花发
育所起的调节作用是很微弱的, 但是功能互补实
验证明, 足够水平的miR159c还是可以沉默MYB33
和MYB65基因的(Allen等2010)。在转基因大麦中,
花药GAMYB-like基因的表达水平以及miR159c的
调节作用是非常重要的(Murray等2003), 反映了
miR159c可能作为谷类作物花药发育的重要调控
因子。
作为分子开关, miR159可以完全沉默营养组
织中的MYB33和MYB65。但是, 在种子中, 这种基
因沉默效率有所减弱。在萌发的种子中, miR159和
MYB33能够在糊粉层和胚中共转录(Alonso-Peral
等2012), miR159表现出MYB33一致的时空表达模
式。由此可见, miRNA介导的基因沉默效率不仅
仅取决于miRNA的量和靶基因的转录水平, 可能
还存在其他的调控机制。
10 展望
作为诱导植物开花和控制花器官发育的重要
调控因子, miRNA为人们更加深入地研究植物开
花的多样化及花器官发育提供了新的线索。已有
的研究证实, miR156、miR159、miR164、miR172
和miR319在拟南芥和玉米的花发育过程中发挥着
关键作用(Wu等2009), 此外 , 拟南芥中的部分
miRNA具有花粉特异表达的特性(Grant-Downton
等2009), 它们在植物生长发育过程中的功能及作
用机制逐渐得以阐释, 但大多数miRNA的作用机
理尚不明晰。
虽然已知miRNA发挥作用的机制包括降解靶
mRNA、抑制靶mRNA的翻译以及对基因座位上
的DNA进行甲基化修饰。但是, 还未通过分析靶
基因的蛋白表达模式来确定靶基因翻译抑制的程
度。而且对大多数miRNA家族的研究仅限于对其
结构的简单分析(Rajagopalan等2006)。此外, 对调
控miRNA基因表达的调控因子、miRNA基因的时
空表达模式及内源激素、生物胁迫或非生物胁迫
如何影响miRNA基因表达还知之甚少。
miRNA信号调控网络十分复杂, 许多miRNA
可以调控相同的靶基因, 例如, miR166和miR172可
以共同控制花器官特征属性MADS-box基因AG;
miR172和miR156共同的靶基因为SPL3/4/5基因。
目前植物miRNA的研究主要集中于模式植物, 如
拟南芥、玉米、水稻等, 但是在山核桃(Carya ca-
thayensis) (Wang等2012)、葡萄(Vitis vinifera) (Sun
等2012)、猕猴桃(Actinidia) (Varkonyi-Gasic等
2012)、夏堇(Torenia fournieri) (Shikata等2012)也
有miRNA调控花发育的报道。miRNA参与被子植
物花发育的分子机制还有待于进一步深入探讨,
如由基部被子植物到核心真双子叶植物进化过程
中, miRNA的作用机制、功能演化是否存在协同
进化的关系？在不完全花(雌雄同株、雌雄异株)
形成过程中, miRNA是否参与其中？为深入了解
miRNA在植物花发育中的功能与作用机制, 需要
拓宽miRNA功能性研究的平台, 探明miRNA及其
调控靶基因的功能趋异、活性模式建立的分子事
件, 为探究花发育及花器官属性决定与miRNA的
关联提供理论线索。
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