全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (7): 1009~1016　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0271 1009
收稿 2015-05-19　　修定 2015-05-28
资助 国家自然科学基金(31201679和U1130304)和浙江省自然
科学基金(LY15C020006)。
* 通讯作者(E-mail: zenghq@hznu.edu.cn, Tel: 0571-28865199)。
植物microRNA的长距离移动与养分平衡的系统性调控
曾后清*, 张亚仙, 王慧中, 杜立群
杭州师范大学生命与环境科学学院, 杭州310036
摘要: microRNA (miRNA)是一种广泛存在于动植物体内的长度为20~24个核苷酸的非编码的小RNA。miRNA在植物的生
长发育、逆境反应和养分平衡等方面都发挥了非常重要的调节作用。近年来研究表明miRNA作为信号分子可以在细胞间
移动, 也可以通过韧皮部进行长距离运输。本文简述了植物韧皮液中的miRNA及其对养分胁迫的响应、miRNA的长距离
运输及其对养分平衡的系统性调控以及miRNA在植物体内移动的可能的机理, 并展望了进一步的研究方向。
关键词: microRNA; 移动; 长距离移动; 韧皮部; 系统性信号; 养分平衡
Systemic Regulation of Nutrient Homeostasis by Long-Distance Movement of
Plant microRNAs
ZENG Hou-Qing*, ZHANG Ya-Xian, WANG Hui-Zhong, DU Li-Qun
College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China
Abstract: As a class of small RNAs, microRNAs (miRNAs) are endogenous noncoding RNAs with a length of
20 to 24 nt and exist extensively in animals and plants. miRNAs play critical roles in various developmental
and physiological processes in plants, including stress responses and nutrient homeostasis. Over the past years,
some miRNAs have been demonstrated to function as signal molecules in a non-cell autonomous manner by
moving between cells or over long distance via phloem. In this article, we reviewed the responses of miRNAs
in phloem sap to nutrient stress, the systemic regulation of nutrient homeostasis by the long-distance movement
of miRNAs, and the possible mechanisms of the movement of miRNAs within plants. We also suggested the
perspective on future research based on the current understandings.
Key words: microRNA; movement; long-distance movement; phloem; systemic signal; nutrient homeostasis
高等植物必需的矿质营养元素有14种, 其中6
种为大量元素(N、P、K、S、Ca、Mg), 8种为微
量元素(Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、B、Mo、Cl)。矿
质元素在吸收后被分配至不同的组织, 然后直接
用于生长代谢或储存在液泡中。缺乏任何一种必
需矿质营养元素都会抑制植物生长并使植物表现
出营养缺乏的症状, 如叶片黄化和坏死等。但矿
质营养元素浓度过高也会对植物造成毒害。因此
植物体内的各种矿质营养元素必须维持在合适的
浓度范围之内。然而土壤中养分的有效性通常受
到环境条件如温度、降雨、土壤类型和pH等的影
响, 使植物所能获取的养分具有很大的波动性。
为了应对土壤养分有效性的变化, 植物产生了一
系列复杂而又精巧的适应机制, 比如增强根系对
养分的吸收、提高养分的利用率、改变根系形态
和调整生物量分配等(Hermans等2006; Miller等
2009; Giehl等2014)。植物还通过系统性信号调节
不同组织和器官的养分状况。最先感知养分缺乏
的根系可以将相应的信号传递至地上部(shoot), 使
地上部尽早对养分缺乏做出调整, 而地上部也可
以将养分需求的信号及时反馈给根系, 以确保养
分的供应, 从而使植物从整体上应对外界养分变
化。目前已经发现很多信号物质, 比如养分元素
本身(硝酸盐、磷酸盐等)、激素(生长素、细胞分
裂素等)、蔗糖和microRNA (miRNA)等, 可以通过
长距离运输系统性调节植物对养分胁迫的反应或
调节植物养分的平衡(Giehl等2009; Liu等2009;
Kehr 2013; Lin等2014)。
小RNA (small RNA)根据其生物合成的特
点、所结合的效应蛋白(即AGO蛋白)和生物学功
植物生理学报1010
能, 可以分为两大类: miRNA和小干扰RNA (small
interfering RNA, siRNA) (Axtell 2013)。miRNA来
源于可形成茎环结构(stem-loop structure)的单链
RNA, 而siRNA来源于完全配对的双链RNA。此
外, miRNA和siRNA产生过程中所需的RNA剪切
酶DCL (拟南芥具有4个DCL, DCL1~4), 以及沉默
作用所需的AGO蛋白 (拟南芥具有10个AGO,
AGO1~10)都不相同(Bologna和Voinnet 2014)。植
物miRNA的生物合成过程包括了转录、加工、修
饰和RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silencing
complex, RISC)的装载等过程(Rogers和Chen 2013;
Bologna和Voinnet 2014)。miRNA基因首先经过
RNA聚合酶II转录形成miRNA原初转录物(primary
miRNA, pri-miRNA), pri-miRNA含有5′帽子和3′
polyA尾巴, 并能折叠成茎环结构; 然后pri-miRNA
的末端被DCL1蛋白剪切后形成miRNA前体(pre-
cursor miRNA, pre-miRNA); pre-miRNA进一步被
DCL1剪切后形成由成熟miRNA (mature miRNA)
和miRNA互补链(miRNA*)组成的miRNA双链
(miRNA/miRNA* duplex); miRNA双链的3′端经过
HEN1引导的甲基化修饰后通过HST1运输蛋白从
细胞核转运至细胞质中; 随后miRNA成熟片段被
装载至含有AGO蛋白的RISC (RNA-induced silenc-
ing complex)中, 通过序列互补引导RISC与靶基因
结合, 进而沉默靶基因, 而通常miRNA*很快被降
解(Rogers和Chen 2013)。植物miRNA作用的方式
主要是通过与靶基因结合并降解靶基因, 或抑制
靶基因的翻译 , 从而在转录后水平上调控靶基
因。此外, miRNA还可以通过介导DNA甲基化, 从
而在转录水平上调控靶基因的表达(Wu等2010;
Rogers和Chen 2013)。目前, 越来越多的研究表明
miRNA在维持基因组稳定性以及调控生长发育、
逆境反应和营养元素的平衡等方面发挥了非常重
要的作用(吕帝瑾等2013; 虞莎和王佳伟2014;
Jones-Rhoades等2006; Kuo和Chiou 2011; Khrai-
wesh等2012; Zeng等2014)。
早些年人们发现转基因介导RNA沉默具有系
统获得性沉默(RNA systemic acquired silencing)的
现象(Palauqui等1997; Voinnet和Baulcombe 1997),
后来证明是因为siRNA在细胞间的移动和长距离
的运输导致了非细胞自主性的RNA沉默 (也即
siRNA合成场所和作用场所不同) (Hamilton和
Baulcombe 1999; Yoo等2004; Molnar等2010)。人们
在miR165/166的研究中也提出了植物miRNA在细
胞间移动的假设(Juarez等2004; Kidner和Martienssen
2004)。近年来, 研究表明植物内源的一些小RNA,
如TAS3/ta-siR-ARFs、miR156、miR165/166、
miR172、miR390、miR395和miR399等, 都具有非
细胞自主性的作用方式。这些miRNA通过在细胞
间移动或韧皮部介导的长距离运输, 在植物的生
理活动中发挥了非常重要的作用, 比如叶片的发
育、根系维管组织的形成、块茎的形成和养分的
平衡等(Martin等2009; Chitwood和Timmermans
2010; Brosnan和Voinnet 2011; Marín-González和
Suárez-López 2012; Kehr 2013; Bhogale等2014)。
本文就miRNA在韧皮部中的长距离运输及其对养
分平衡的系统性调控进行总结。
1 植物韧皮液中的miRNA及其对养分胁迫的响应
植物生命的维系需要依赖由韧皮部和木质部
所组成的维管组织来介导水分、养分、代谢物以
及各类信号物质的运输。很多信号物质 , 如激
素、代谢物、蛋白质和RNA等, 既可以通过胞间
连丝(plasmodesmata)进行短距离的运输, 也可以通
过韧皮部进行长距离的运输, 从而为植物不同组
织之间传递信息并调节植物的各种生物学过程,
如叶片发育、开花、碳水化合物分配和病原菌防
卫等(Lough和Lucas 2006; Kehr和Buhtz 2008; Turn-
bull 2011)。韧皮部由筛分子(sieve element)、伴胞
细胞(companion cell)和薄壁组织细胞(parenchyma
cell)构成。其中直接负责光合产物和信号物质运
输的筛分子是一类特殊的细胞, 在发育过程中大部
分的细胞器丢失了, 仅剩下细胞膜、质体、内质网
膜等, 因而其所需的营养物质一般由相邻的伴胞细
胞通过胞间连丝传递而来(De Schepper等2013)。由
于筛分子不能进行转录和翻译, 韧皮液(phloem
sap)中内源RNA的发现一直被误认为是由于韧皮
液采集时周围组织(如伴胞细胞)的污染所致。后
来分子生物技术和嫁接试验强有力地证实了植物
内源RNA存在于流动的韧皮液中(Lough和Lucas
2006)。目前, 植物内源RNA作为一种信号分子通
过韧皮部长距离运输已经有了清楚的认识(李苹芳
等2013; Lough和Lucas 2006; Kehr和Buhtz 2008)。
曾后清等: 植物microRNA的长距离移动与养分平衡的系统性调控 1011
近年来人们发现小RNA也存在于韧皮液中并
可以进行长距离的运输(表1)。Yoo等(2004)通过分
离南瓜韧皮液中的RNA并对RNA进行放射性标记
后, 发现小RNA (20~25 nt)存在于韧皮液中。他们
还提取了黄瓜、白羽扇豆、蓖麻和丝兰等4种植
物的韧皮液, 发现这些植物的韧皮液中也都存在
小RNA, 并且这些小RNA主要以单链的形式存
在。通过构建小RNA文库, 他们在南瓜韧皮液中
还鉴定了3个miRNA (miR156、miR159、miR167),
并且通过Northern blot进一步证实了这些miRNA
的存在。Buhtz等(2008)通过高通量测序和North-
ern blot全面分析了油菜韧皮液中的小RNA, 发现
韧皮液中存在18个家族的miRNA (包含了上述3个
miRNA)以及它们的互补链 (miRNA*)。这些
miRNA家族大多数也存在于其他植物的韧皮液中,
如苹果和白羽扇豆(表1)。Varkonyi-Gasic等(2010)
通过蚜虫吻针法收集了苹果韧皮液并用颈环RT-
PCR分析了成熟miRNA的表达, 发现至少有11个
家族的miRNA存在于韧皮液中, 其中miR156、
miR159、miR160、miR162、miR167、miR169、
miR396和miR398的表达量较高 , 而miR172、
miR390和miR393的表达量较低。这些miRNA在
韧皮部组织中也有表达, 并且miR156、miR167、
miR169、miR390和miR398在韧皮液中的表达量
显著高于周围的韧皮部组织(Varkonyi-Gasic等
2010)。随后, Rodriguez-Medina等(2011)通过构建
小RNA文库在白羽扇豆韧皮液中也克隆到9个不
同家族的miRNA, 其中miR168、miR169、miR395
表1 植物韧皮液中的miRNA
Table 1 miRNAs in phloem sap of different plant species
miRNA家族 植物种类 养分胁迫响应 移动性 靶基因 参考文献
miR156 南瓜、油菜、苹果、白羽扇豆 - 长距离运输 SPL转录因子 1~5
miR157 油菜 - - SPL转录因子 2
miR158 油菜 -Fe (+) - - 6
miR159 南瓜、油菜、苹果、白羽扇豆 - - MYB转录因子 2~5
miR160 油菜、苹果 - - ARF转录因子 2, 4
miR162 油菜、苹果 - - DCL1蛋白 2, 4
miR164 油菜、白羽扇豆 - - NAC转录因子 2, 3
miR166 油菜、白羽扇豆 - 细胞间移动 HD-ZIP转录因子 2, 3, 7, 8
miR167 南瓜、油菜、苹果、白羽扇豆 - - ARF转录因子 2~5
miR168 油菜、白羽扇豆 - - AGO1蛋白 2, 3
miR169 油菜、苹果、白羽扇豆 -N (-)、-P (-) - NF-YA转录因子 2~4, 9, 10
miR171 油菜 - - SCL转录因子 2
miR172 油菜、苹果 - 长距离运输 AP2转录因子 2, 4, 11
miR319 油菜 - - TCP转录因子 2
miR390 油菜、苹果 - 细胞间移动 TAS3 2, 4, 12
miR393 苹果 - - bHLH转录因子、生长素受体 4
miR395 油菜、白羽扇豆 -S (+)、-P (-) 长距离运输 硫酸盐转运蛋白、ATP硫酸化酶 2, 3, 6, 9
miR396 苹果 - - GRF转录因子 4
miR397 油菜 -Cu (+)、-S (-) - 漆酶 6
miR398 油菜、苹果 -Cu (+)、-Fe (-)、-N (-)、 - Cu/Zn超氧化物歧化酶 4, 6
-P (-)、+Cu (-)
miR399 油菜、白羽扇豆 -P (+) 长距离运输 泛素结合酶PHO2 2, 3, 6, 13, 14
miR400 油菜 - - - 2
miR408 油菜 -Cu (+)、-Fe (-) - 质体蓝素类蛋白、漆酶 6
miR827 油菜 -P (+) - 泛素连接酶NLA 10
miR2111 油菜 -P (+)、-Fe (-)、-Cu (+) - F-box蛋白 6, 9, 10
　　元素符号前的“+”表示“过量”, “-”表示“缺乏”。元素符号后面括号内的“+”表示“诱导”, “-”表示“抑制”。“-”表示“无响应”或者“尚不
清楚”。参考文献中的数字1~14分别表示: 1, Bhogale等2014; 2, Buhtz等2008; 3, Rodriguez-Medina等2011; 4, Varkonyi-Gasic等2010; 5, Yoo
等2004; 6, Buhtz等2010; 7, Carlsbecker等2010; 8, Miyashima等2011; 9, Hsieh等2009; 10, Pant等2009; 11, Martin等2009; 12, Marin等2010; 13,
Lin等2008; 14, Pant等2008。
植物生理学报1012
和miR399在韧皮液中的表达显著高于其他组织。
然而这些存在于韧皮液中的miRNA是否作为信号
分子长距离运输以及它们在植物生长发育或逆境
反应中是否具有系统性调控的作用还有待进一步
的研究。
植物韧皮液中的miRNA还会响应外界环境的
变化。研究表明油菜韧皮液中miR395、miR398和
miR399的表达分别受缺硫、缺铜和缺磷胁迫诱导
(Buhtz等2008, 2010)。这与拟南芥中这些miRNA
对养分胁迫的响应是一致的(Jones-Rhoades和Bar-
tel 2004; Chiou等2006; Yamasaki等2007)。miR399
在南瓜和白羽扇豆的韧皮液中也受缺磷胁迫诱导
(Pant等2008; Rodriguez-Medina等2011)。Buhtz等
(2010)通过miRNA基因芯片发现油菜韧皮液中其
他miRNA也响应养分胁迫, 比如miR158受缺铁诱
导 , miR398、miR408和miR2111受缺铁抑制 ,
miR397受缺硫抑制, miR397、miR408和miR2111
受缺铜诱导。miR397和miR408对缺铜的响应与拟
南芥中的报道一致(Abdel-Ghany和Pilon 2008)。研
究人员通过高通量测序和RT-PCR全面分析了拟南
芥中缺磷和缺氮响应的miRNA, 发现除miR399外,
miR156、miR778、miR827和miR2111等也受缺磷
诱导, 而miR395受缺磷抑制, miR169和miR398还
同时受到缺磷和缺氮的抑制(Hsieh等2009; Pant等
2009)。此外, 高通量测序结果表明油菜韧皮液中
miR169、miR399、miR827和miR2111对缺磷或缺
氮也具有相同的响应(Pant等2009)。
2 miRNA作为长距离运输的信号分子调节养分的
平衡
虽然韧皮液中存在大量的miRNA, 但这些
miRNA是否都可以在植物体内移动或进行长距离
的运输仍然不是很清楚。目前只有少数miRNA在
植物体内的移动得到了证实。比如, miR165/166和
miR390在植物细胞间移动并调节叶片背腹极性以
及根系的发育(Carlsbecker等2010; Chitwood等
2009; Marin等2010; Miyashima等2011); miR156和
miR172可能作为一种长距离运输的信号分子调节
马铃薯块茎的形成(Bhogale等2014; Martin等2009);
miR399和miR395分别受缺磷和缺硫诱导, 通过长
距离运输分别调节植物磷营养和硫营养的平衡
(Buhtz等2010; Lin等2008; Pant等2008)。
2.1 miR399调节磷营养的平衡
miR399是首个发现的作为系统性信号调节磷
营养吸收和转运的miRNA (Lin等2008; Pant等
2008)。miR399在拟南芥中的靶基因是泛素结合
酶UBC24 (也叫PHO2) (Fujii等2005; Aung等2006;
Bari等2006; Chiou等2006)。启动子融合GUS的分
析结果表明miR399和PHO2在拟南芥的维管组织
中都表达(Aung等2006)。缺磷条件下miR399在油
菜等植物的韧皮液中积累, 这表明miR399可能是
一种长距离运输的调控因子(Pant等2008)。此外
pri-miR399在地上部受缺磷的诱导比根系快, 说明
植物在缺磷的早期可能将地上部合成的miR399转
运至根系(Lin等2008)。过表达miR399的转基因植
物与野生型植物嫁接的实验进一步证实了miR399
在韧皮部中长距离的运输(Lin等2008; Pant等
2008)。miR399可以从过表达植物的接穗(scion)移
动到野生型植物的砧木(rootstock)并抑制砧木中
PHO2的表达 , 但不能反过来转运 , 即不能从
miR399过表达植物的砧木运输到野生型植物的接
穗。miR399过表达植物与功能缺失突变体pho2都
具有地上部过量积累磷酸盐的表型, 是因为这些
植物中磷酸盐的吸收和磷酸盐从根系向地上部的
转移都增强了(Fujii等2005; Aung等2006; Bari等
2006; Chiou等2006; Lin等2008)。水稻和番茄中过
量表达miR399也具有类似的表型(Gao等2010; Hu
等2011)。最近, 研究人员通过筛选pho2突变体的
抑制子和定量膜蛋白质组学(quantitative membrane
proteomics), 发现定位在细胞内膜系统的PHO2介
导了磷酸盐转运蛋白PHT1家族(主要为PHT1;1和
PHT1;4)以及与木质部磷酸盐装载相关的蛋白
PHO1的泛素化降解(Liu等2012; Huang等2013)。
可见, miR399作为一种在韧皮部中长距离运输的
信号分子, 通过抑制靶基因PHO2的表达, 调节了
根系对磷酸盐的吸收和磷酸盐通过木质部向地上
部的转运, 从而在植物体内磷酸盐平衡的维持中
发挥了重要作用。
2.2 miR395调节硫营养的平衡
miR395在拟南芥中的靶基因有4个, 其中1个
是与硫酸盐吸收和转运有关的低亲和性硫酸盐转
运蛋白SULTR2;1, 另外3个是与硫酸盐同化有关的
ATP硫酸化酶APS1、APS3和APS4 (Allen等2005;
曾后清等: 植物microRNA的长距离移动与养分平衡的系统性调控 1013
Jones-Rhoades和Bartel 2004)。组织特异表达分析
结果表明miR395主要在韧皮部的伴胞细胞中表达
(Kawashima等2009), 而SULTR2;1主要在木质部薄
壁组织中表达(Takahashi等2000)。缺硫条件下
miR395在韧皮部中的诱导表达抑制了SULTR2;1
的表达, 并使之局限在木质部中表达, 从而增加了
硫酸盐通过木质部从根系向地上部的转移, 而降
低了地上部硫酸盐通过韧皮部向根系的转移
(Kawashima等2009, 2011)。miR395还通过调控
A P S基因的表达调节硫酸盐的同化 ( L i a n g等
2010)。miR395过表达植物地上部的硫酸盐含量
增加, 但却表现出缺硫症状, 这是因为硫酸盐的同
化和硫酸盐在叶片间的转移受到了抑制(Liang等
2010)。野生型拟南芥和hen1-1突变体(HEN1为
miRNA生物合成中的甲基化酶, 可使miRNA稳定,
hen1-1中miRNA含量减少)嫁接的实验进一步表明
miR395可以从地上部向根系转移(Buhtz等2010)。
因此, miR395也是一种在韧皮部中长距离运输的
系统性信号分子, 并参与调控硫营养的平衡。
2.3 其他与养分平衡有关的miRNA
除了miR395和miR399以外, 其他miRNA也参
与调控了植物体内养分的平衡(Zeng等2014)。比
如, miR169通过调控靶基因NF-YA转录因子参与了
氮素营养平衡的调节(Zhao等2011); miR827通过调
控靶基因泛素连接酶NLA, 调控了磷酸盐的吸收
(Lin等2013); miR397、miR398、miR408和miR857
通过调节一些编码含铜蛋白基因的表达(如CSD、
LAC、PLC), 调控了铜素营养的平衡(Sunkar等
2006; Yamasaki等2007; Abdel-Ghany和Pilon 2008;
Zhang等2014)。值得注意的是, 这些miRNA也存
在于韧皮液中(表1), 说明它们也可能作为长距离
信号分子调节养分的平衡。
近年来, 随着基因芯片和高通量测序技术的
广泛应用, 人们发现很多miRNA对各种养分胁迫
都有不同程度的响应(范鹏珍等2012; 雷凯健和安
国勇2014; Pant等2009; Zhu等2010; Kuo和Chiou
2011; Zeng等2014)。虽然很多养分响应的miRNA
与养分的吸收、转运、代谢或再利用没有直接的
关系, 而可能与养分胁迫导致的生长和代谢的变
化有关 , 但是这些m i R N A , 比如m i R 1 5 6、
miR159、miR160、miR164、miR167、miR319、
miR393和miR396等, 在韧皮液中是否也对养分胁
迫响应以及是否与养分胁迫反应的系统性调控有
关还需要进一步明确。
3 miRNA移动的机理
虽然目前只有少数miRNA在植物体内的移动
得到了证实, 但可以想象miRNA的移动应该和其
他大分子(比如mRNA)的移动类似, 要受到严格的
调控。目前, miRNA移动的机理以及影响miRNA
移动的因素还不是很清楚 , 很多问题还亟待解
决。一个重要的问题是miRNA在植物体内以何种
形式移动, 是miRNA前体、miRNA双链还是成熟
miRNA？研究表明miR165/166和miR390很可能是
以成熟miRNA而非miRNA前体的形式在细胞间移
动(Chitwood等2009; Carlsbecker等2010; Marin等
2010; Miyashima等2011)。韧皮液中检测到成熟
miRNA以及miRNA过表达植物的嫁接实验都表明
成熟miRNA可以通过韧皮部长距离运输(Yoo等
2004; Buhtz等2008, 2010; Lin等2008; Pant等2008;
Varkonyi-Gasic等2010; Rodriguez-Medina等
2011)。单链或双链RNase消化的实验表明韧皮液
中小RNA主要以单链形式存在(Yoo等2004; Buhtz
等2008)。但是Buhtz等(2008)的研究表明miRNA
的互补链(miRNA*)也存在于韧皮液中。此外 ,
Hsieh等(2009)的研究表明miR399*与miR399一样
也受缺磷诱导并可以通过韧皮部长距离运输。
siRNA合成缺失的三突变体dcl2 dcl3 dcl4 (不产生
22、23和24 nt的siRNA)与野生型嫁接的实验表明,
内源siRNA而非siRNA前体可以从野生型的地上
部移动到dcl2 dcl3 dcl4的根系(Molnar等2010)。另
外, 通过使用特异性结合21 bp siRNA双链的病毒
沉默抑制子P19以及导入外源带荧光标记的siR-
NA, 还表明内源siRNA双链而非siRNA前体可以
在细胞间移动(Dunoyer等2010)。然而miRNA是否
也以双链形式在细胞间移动还有待进一步明确。
miRNA和miRNA*在韧皮部中是以单链形式还是
双链形式(miRNA/miRNA*)运输仍然期待进一步
的鉴定。此外, 在miRNA长距离运输的3个步骤中,
即miRNA进入筛分子、miRNA在筛管中的运输和
miRNA从筛分子进入其他细胞, miRNA移动的形
式是否一致也需进一步明确。
另一个重要的问题是miRNA的移动是否需要
植物生理学报1014
其他分子组分的伴随？miRNA通过RISC调控靶基
因需要结合AGO1蛋白。但Dunoyer等(2010)的研
究表明siRNA和miRNA在植物体内的移动并不结
合AGO1。而Yoo等(2004)的研究表明南瓜韧皮液
中的蛋白PSRP1可以结合单链的小RNA。显微注
射实验表明PSRP1介导了25 nt单链小RNA在细胞
间的移动。然而目前PSRP1是否可以结合21 nt的
miRNA或介导miRNA的运输还不清楚。
此外, miRNA在细胞间的移动是通过共质体
途径还是质外体途径也不明确。目前最受认可的
移动方式是胞间连丝介导的共质体途径(Chitwood
和Timmermans 2010; Gursanscky等2011)。拟南芥
胼胝质合成酶CALS3的功能获得性突变会引起胞
间连丝中胼胝质增加, 导致胞间连丝孔径减小, 从
而阻碍了miR165在细胞间的移动(Vatén等2011)。
可见, miRNA可能通过胞间连丝在细胞间移动。
miRNA在韧皮部的装载和卸载也可能通过类似的
途径(Marín-González和Suárez-López 2012)。另外,
虽然科学家已经提出siRNA和miRNA以被动扩散
的方式在细胞间移动的假说(Voinnet 2005), 但这
些小RNA在细胞间的移动或在韧皮液中的运输是
否也以主动耗能的方式进行还有待进一步明确。
4 展望
虽然植物miRNA的发现仅有十余年, 但已有
越来越多的研究表明miRNA作为一类调节因子在
植物的生长发育、逆境反应和养分平衡中都发挥
了非常重要的调控作用。与蛋白质和RNA等大分
子一样, 一些miRNA也可以作为一类信号分子在
植物体内移动, 并系统性调控植物的生理活动, 如
磷营养和硫营养的平衡。植物韧皮液中存在大量
的miRNA, 但目前只有少数miRNA被证实可以进
行长距离的运输, 譬如miR156、miR172、miR395
和miR399等。miR165/166和miR390可以在细胞间
移动, 但其是否也进行长距离运输仍不清楚。为
了扩大我们对miRNA系统性调控的认识, 进一步
验证韧皮液miRNA在植物体内的移动性仍然非常
必要, 特别是针对一些养分胁迫响应的miRNA, 比
如miR169、miR397、miR398、miR408和miR827
等。在养分缺乏条件下, 植物为何需要将地上部
合成的miRNA, 比如miR399和miR395, 转运至同
样具有合成功能的根系, 这是一个值得深入研究
的问题。miRNA的移动或长距离运输除了与养分
平衡和植物发育有关, 是否还与植物的生物或非
生物胁迫反应有关 , 这也是一个值得关注的问
题。尽管miRNA在植物体内的移动已经非常明确,
但miRNA移动的机理仍需要进一步阐明。通过对
miRNA分子进行标记, 并结合灵敏的检测方法、
巧妙的实验设计和强有力的分子遗传学手段, 相
信人们对miRNA移动机理的认识一定会越来越清
晰。此外 , 通过改变系统性调节养分平衡的
miRNA或miRNA靶基因的表达以提高农作物的养
分利用效率或增强农作物对养分缺乏的抗性, 也
可以应用在农业生产上。
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