全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (7): 619~628 619
收稿 2012-01-16　　修定 2012-04-08
资助 国家自然科学基金(30800082和30730078)、中国博士后科
学基金(20090460868和201003409)、东北林业大学青年拔
尖人才支持计划(YTTP-1011-17)和中央高校基本科研业
务费专项资金(DL11CA03)。
* 通讯作者(E-mail: bozhou2003@163.com; Tel: 0451-
82191783)。
MicroRNA在植物营养胁迫中的作用
范鹏珍, 李玉花, 周波*
东北林业大学生命科学学院, 哈尔滨150040
摘要: microRNA是具有重要功能的一类非编码小RNA, 不仅在植物生长发育过程中具有重要的调控作用, 而且在植物营养
胁迫中发挥作用。本文综述了microRNA在3种大量元素——氮、磷、硫胁迫中的作用。
关键词: microRNA; 营养胁迫; 氮; 磷; 硫
The Roles of MicroRNAs in Plant Nutrient Stress
FAN Peng-Zhen, LI Yu-Hua, ZHOU Bo*
College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: MicroRNA is a kind of non-coding small RNA with vital function. MicroRNAs play crucial roles not only
in the regulation of growth and development, but also in the response to the nutrient stress of plants. This review
shows several roles of microRNAs in the regulation of three macronutrients stress—nitrogen, phosphorus and sulphur.
Key words: microRNA; nutrient stress; nitrogen; phosphorus; sulphur
miRNA (microRNA)是长度为20~24 nt的内源
非编码小RNA。miRNA与siRNA的主要区别是:
miRNA是由具有发夹形二级结构的单链RNA经过
剪切加工产生的(Reinhart等2002), 而siRNA是由较
长的双链RNA经过剪切加工形成的(Sunkar等
2007)。在植物体内, DCL (dicer-like)酶剪切pri-
miRNA并进一步加工成为成熟的miRNA, 然后成
熟的miRNA被载入沉默复合体(silencing complex-
es), 定位到与其互补的目标mRNA上将其剪切或
降低其转录水平(Jones-Rhoades等2006)。对拟南
芥(Arabidopsis thaliana L.)、水稻(Oryza sativa L.)
等模式植物miRNA的研究表明: miRNA在植物的
生长发育、维持基因组完整以及抵抗胁迫等过程
中具有重要作用(Mallory和Vaucheret 2006)。
氮(N)、磷(P)、硫(S)是植物正常生长所必需
的3种大量元素, 在植物生理生化过程中具有重要
作用。在这些元素缺乏的情况下, 植物体会产生
一系列适应机制, 近年的研究表明: miRNA参与了
植物对营养胁迫的适应。miR169、miR167和
miR398参与了对N胁迫的调控(Gifford等2008;
Pant等2009; Zhao等2011), 但还没有证据表明这几
种miRNA受N缺乏特异性诱导; 而miR399受P缺乏
特异性诱导、miR395受S缺乏特异性诱导已被证
实(Fujii等2005; Jones-Rhoades和Bartel 2004)。
1 植物miRNA的形成及作用过程
植物miRNA由基因组中的MIR基因编码。在
RNA聚合酶II (RNA polymerase II)的参与下, MIR
基因编码产生一个或多个较长的初级转录产物
(pri-miRNA), 通过自身的碱基互补配对形成二级
茎环结构; 在DCL1 (DICER-LIKE1)和HYL1 (HY-
PONASTIC LEAVES1)的作用下, 经过两步剪切后
形成较短片段的双链miRNA; 在HEN1 (HUA EN-
HANCER1)作用下, 3末端核苷酸2-羟基位发生甲
基化, 这样可以防止3末端的尿苷化(uridylation),
使miRNA更加稳定。
在DCL1介导的剪切和HEN1介导的甲基化之
后, HST (HASTY)蛋白将双链miRNA运送到细胞
核外, 双链miRNA中5端稳定的一条链被降解, 剩
下5端不稳定的单链形成成熟的miRNA (mature
miRNA), 与Argonaute (AGO)蛋白作用形成一个
RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silencing com-
综　述 Reviews
植物生理学报620
plex, RISC), 定位到目标mRNA上将其剪切或降低
其转录水平(图1) (Jones-Rhoades等2006)。
(1) MIR169家族成员。拟南芥MIR169家族包
括14个成员, 根据编码miRNA序列的不同分成4个
亚族(subgroup): MIR169a自成一个亚族, 第2亚族
包括MIR169b和MIR169c, 第3亚族包括MIR169d~
g, 第4亚族包括MIR169h~n。miR169a是miR169的
主要成分(Zhao等2011)。
(2) miR169的作用目标。在N饥饿条件下, 拟
南芥的根和叶中miR169表达量显著减少, 其作用
目标NFYA (nuclear factor Y, subunit A)家族成员表
达量明显增高, 而且过表达miR169a的转基因植株
与野生型相比, N的积累能力下降并且对N胁迫更
加敏感, 说明miR169a可能造成N吸收系统的削弱
(Zhao等2011)。miR169a能够抑制NFYA5的表达(Li
等2008), 而在N饥饿条件下, NFYA5主要在根部积
累(Zhao等2011), 说明NFYA5在植物对N的吸收过
程中具有重要作用。
在苜蓿(Medicago truncatula L.)中, miR169能
够作用于HAP2-1, 该基因编码的蛋白质是菌根生
长发育的一个关键的调控因子, MIR169过表达植
株和敲除HAP2-1的植株都表现出菌根生长发育受
阻的现象(Combier等2006)。
(3) NFYA5下游的调控。拟南芥硝酸盐转运
蛋白(nitrate transporter) AtNRT1.1能利用“双亲和
性结合” (dual-affinity binding)和“磷酸化开关”
(phosphorylation switch)来感应土壤中硝酸盐浓度
的较大变化(Ho等2009), AtNRT2.1是一个高亲和
力的硝酸盐转运蛋白, 可能是在N限制条件下起主
导作用的“硝酸盐感应器” (nitrate sensor)。Zhao等
(2011)研究发现, 过表达miR169a的转基因植株中,
AtNRT1.1和AtNRT2.1的表达量显著减少, 在缺乏无
机N的各种培养基上均表现出早衰的表型, 说明
miR169a具有帮助植物适应N浓度的较大波动的功
能。他们还发现, AtNRT1.1和AtNRT2.1启动子区分
别含有4个和1个“-CCAAT-”元件, 该元件是NFYA
蛋白的结合区域 , 表明NFYA能够直接调控At-
NRT1.1和AtNRT2.1。
由此, 可以得到拟南芥miR169参与N胁迫的
调控路径: N胁迫抑制了miR169的表达, 从而减轻
了miR169对NFYA的抑制, NFYA促进了NRT的表
达 , 从而增强对N的吸收能力(图2-A)。但对于
miR169上游的调控, 目前还无从知晓, 相关研究的
2 miRNA在植物营养胁迫中的作用
2.1 miRNA在氮营养胁迫中的作用
氮元素 (N)是氨基酸、酰胺、蛋白质、核
酸、核苷酸、辅酶等的组成元素, 除此之外, 叶绿
素、某些植物激素、维生素和生物碱等也含有
氮。由此可见, 氮在植物生命活动中占有首要的
地位, 故又称为生命元素(潘瑞炽2008)。植物体中
有机态的N占了植物干重的1.5%~5%, 其中有
80%~90%的N存在于蛋白质中 (Allen等2005;
Novoa和Loomis 1981)。
土壤中能够被植物吸收的N包括2种形式: 氧
化态的NO3
-和还原态的NH4
+, 植物吸收的主要是
氧化态的NO3
-。在空气充足的土壤中, 硝化细菌能
将NH 4
+氧化成NO 3
-, 以供植物吸收 (Novoa和
Loomis 1981)。豆科植物(Fabaceae)可以与根瘤菌
共生, 根瘤菌将大气中的N2固定下来, 供自身和植
物利用(Sprent和James 2007)。
2.1.1 miR169在氮营养胁迫中的作用 miR169受
氮胁迫下调表达, 是目前对于植物氮胁迫调控路
径最为清晰的一类miRNA。
图1 拟南芥中miRNA合成及其作用过程
Fig.1 The process of miRNA biogenesis and function in
Arabidopsis
参考Jones-Rhoades等(2006)文献修改。
范鹏珍等: MicroRNA在植物营养胁迫中的作用 621
深入将会使我们获得miR169参与调控N胁迫更加
完整的路径。另外, Pant等(2009)在油菜(Brassica
napus L.)韧皮部液体(phloem sap)中检测到了
miR169, 认为其可能在营养胁迫条件下作为信号
分子在植物体内进行“较长距离的移动”。
2.1.2 其他miRNA在氮营养胁迫中的作用 在拟南
芥中, miR167能够抑制ARF8 (auxin response factor
8)基因的表达(Wu等2006), ARF8能够参与生长素
调控的信号通路促进侧根的生长(Zhou等2007)。
氮胁迫条件下, MIR167的表达受到抑制, 从而使
ARF8能够大量表达, 促进了侧根的生长(Gifford等
2008; Xu等2011), 从而增强了植物吸收和固定土
壤中氮素的能力(图2-A)。
拟南芥中miR398能够抑制COX (cytochrome c
oxidase)基因的表达(Bonnet等2004), COX能够有
效地促进根部细胞的呼吸作用, 形成大量的ATP
(Millar等1998)。故我们推测 : 氮胁迫条件下 ,
MIR398的表达受到抑制, 从而使COX能够大量表
达, COX参与一系列氧化还原反应, 生成的ATP能
够为植物根部通过主动运输的方式从土壤中吸收
必需的养分(包括氮素)提供足够的能量(图2-A)。
除拟南芥和油菜(Pant等2009)外, 研究者在玉
米(Zea mays L.)中也已经鉴定出包括miR169、
miR167和miR398在内的对氮胁迫具有调控作用的
10多种miRNA, 并对它们的作用进行了简要概括
(Xu等2011)。
2.2 miRNA在磷营养胁迫中的作用
磷元素(P)是植物正常生长发育必需的大量元
素之一, 是细胞结构(如细胞膜)、遗传物质(核酸)
和“能量货币”ATP的组成元素, 蛋白质的磷酸化对
于调节蛋白质生物活性以及信号转导具有重要作
用(Raghothama 1999), 而且糖代谢、呼吸作用和光
合作用等生理活动的正常进行也离不开磷元素
(Chiou等2006)。
Pi (H2PO4
-)是植物根吸收P的主要形式(Scha-
chtman等1998)。世界上多数的土壤都缺Pi, 即使
是较为肥沃的土壤中 , Pi的浓度也很少超过10
μmol·L-1 (Raghothama 1999), 而植物细胞内Pi的浓
度往往会比土壤溶液中高达1 000倍(Schachtman
等1998)。这说明植物通过一系列适应机制增加Pi
的吸收、加强体内Pi的存储和再利用, 这些机制包
括: 分泌有机酸和H+、改变根的形态结构以及与菌
根真菌共生等(Poirier和Bucher 2002; Raghothama
1999)。
2.2.1 miR399在磷营养胁迫中的作用 miR399在Pi
缺乏时上调表达并在Pi恢复后表达量迅速减少, 被
图2 miRNA参与调控拟南芥营养胁迫路径
Fig.2 Simplified schematic of miRNAs involved in the regulation of nutrient stress pathway in Arabidopsis
A: miR169、miR167、miR398与氮胁迫; B: miR399与磷胁迫; C: miR395与硫胁迫。箭头表示正调控, 闭合棒表示负调控, 虚线表示
需要进一步研究验证; TFs: 转录因子。
植物生理学报622
证明是对Pi胁迫具有调节作用的第一个miRNA
(Fujii等2005)。
(1) MIR399家族成员。拟南芥基因组中包括6
个MIR399基因(MIR399A~F), 均受磷饥饿不同程
度诱导(Bari等2006; Hsieh等2009)。
(2) miR399的作用目标。拟南芥中, 已预测的
受miR399作用的基因有3个, 分别编码磷酸盐转运
蛋白(PHT1;7)、DEAD box解旋酶和E2泛素结合
酶——UBC24 (a putative ubiquitin E2 conjugase)。
但是, 目前被实验证明的只有UBC24基因(Allen等
2005)。在水稻中, OsmiR399作用于OsLTN1基因,
该基因被认为是AtUBC24的同源基因(ortholog)
(Hu等2011)。
拟南芥中, UBC24在磷充足条件下在根部大
量表达, “磷饥饿”时下调表达, 而此时miR399上调
表达(Bari等2006; Chiou等2006; Fujii等2005)。
UBC24基因mRNA的5非翻译区(untranslation re-
gion, UTR)有5个能与miR399发生作用的位点, 其
中有2个是最常见的作用位点(Chiou 2007)。在
miR399过表达的转基因植株中 , UBC24基因
mRNA的量显著减少, 在mu399 (miR399三个关键
的碱基突变)过表达的转基因植株中保持不变; 在
删除了与miR399互补的UTR区序列的UBC24转基
因植株中, 磷缺乏的条件下UBC24基因mRNA的量
也保持稳定(Fujii等2005)。miR399特异性剪切
UBC24基因mRNA, 因此二者的水平在磷缺乏条件
下呈负相关。
拟南芥miR399过表达的植株一方面对Pi的吸
收能力增强, 使Pi从根到叶的转运能力提高, 另一
方面抑制了Pi从老叶向幼叶的转运再利用(remobi-
lization), 导致在Pi充足的条件下, 老叶中Pi过剩,
造成Pi中毒(Pi toxicity), 表现为老叶的黄化和坏死
(Aung等2006); UBC24与miR399产生拮抗作用, 抑
制Pi的吸收和从根到叶的分配(allocation), 以维持
体内Pi的平衡(Pi homeostasis)。UBC24 T-DNA插
入的突变体表现出Pi中毒的病征。PHO2蛋白参与
了对Pi胁迫的调控, 拟南芥pho2突变体与miR399
过表达和UBC24 T-DNA插入的植株有相同的表型,
PHO2和UBC24定位在同一条染色体上的相邻位
置(Delhaize和Randall 1995); Aung等(2006)证明
pho2是由UBC24的无义突变引起的, 认为PHO2即
为UBC24。
拟南芥野生型和过表达miR399植株的嫁接实
验表明: 过表达miR399砧木中PHO2功能受到抑制
导致Pi在野生型接穗中的过度积累; 而接穗中过表
达miR399时, 在野生型的砧木中虽然未能检测到
pr i -miRNA399, 但是却能检测到大量成熟的
miR399; 烟草(Nicotiana benthamiana L.)中过表达
AtMIR399植株相似的嫁接实验也得到了同样的结
果, 说明miR399能够通过韧皮部从Pi缺乏的叶向Pi
充足的根部进行 “远距离 ”运输 , 在根部抑制
UBC24/PHO2的表达, 从而促进Pi的吸收(Bari等
2006; Lin等2008)。
(3) miR399上游的调控。拟南芥中一个MYB
类转录因子——PHR1 (PHOSPHATE STARVA-
TION RESPONSE 1), 能够结合“-GNATATNC-”这
个顺式作用元件来上调一系列受Pi饥饿诱导的基
因(PHOSPHATE STARVATION INDUCED GENES,
PSI基因) (Franco-Zorrilla等2004; Rubio等2001)。
多个顺式作用元件“-GNATATNC-”已在6种MIR399
基因上游序列中鉴定出来, 在phr1突变体中, Pi缺
乏对miR399的诱导作用显著减弱, 说明PHR1可能
通过结合“-GNATATNC-”上调MIR399的表达(Bari
等2006; Hsieh等2009)。利用PSI基因受Pi缺乏的强
烈诱导和Pi恢复后被迅速抑制的特性, 分别检测了
phr1和pho2突变体中64个PSI基因, 结果phr1和
pho2突变体中分别有56和22个基因的表达量明显
下降, 而且pho2突变体22个基因中的21个在phr1突
变体中表达量也下降(Bari等2006), 说明UBC24/
PHO2在Pi缺乏信号途径中处于PHR1的下游。另
外, PHR1基因和PHR1蛋白并不响应Pi浓度的变化,
但是SUMO (small ubiquitin-like modifier) E3连接
酶SIZ1能够对PHR1蛋白进行SUMO化修饰, SIZ1
受Pi缺乏诱导上调表达(Miura等2005)。
拟南芥SPX家族中多个基因都能够响应Pi胁
迫, 其中SPX1和SPX3受PHR1调控上调表达(Nils-
son等2010), SPX1被认为是能够促进PSI基因表达
的转录因子, SPX3并不是转录因子, 但却能够负调
控SPX1和PSI基因的表达(Duan等2008)。在菜豆
(Phaseolus vulgaris L.)和水稻中也发现了SPX的同
源基因, 而且都能够响应Pi胁迫(Tian等2007; Wang
等2009)。
范鹏珍等: MicroRNA在植物营养胁迫中的作用 623
(4) UBC24/PHO2下游的调控。Bari等(2006)
通过Affymetrix ATH1 genechip方法检测了拟南芥
野生型和pho2突变体在Pi饥饿和充足条件下根部
基因表达状况, 发现在Pi充足的条件下, pho2突变
体中有10个基因转录水平比野生型中转录水平增
加1倍以上; 这些表达量发生变化的基因中有多个
属于先前提到的PSI基因 , 说明pho2突变体中
UBC24/PHO2遭到破坏, 从而减弱了对PSI基因的
抑制(特别是在高Pi的条件下)。
在Pi充足的条件下, 一系列编码Pi转运蛋白的
基因中, PHT1;8和PHT1;9转录水平在pho2突变体
根部显著提高(Bari等2006)。Aung等(2006)的研究
表明, 在pho2突变体和miR399过表达的植株中,
PHT1;8上调表达。Pi转运蛋白的基因转录水平提
高在一定程度上表明Pi转运蛋白的量增加, 从而增
强植物对Pi的吸收能力, 但是UBC24/PHO2作为泛
素结合酶, 不能直接调控基因的转录, 可能是通过
调控某个相关的转录因子, 将其泛素化, 从而抑制
Pi转运蛋白基因的表达。
Bari等(2006)研究的拟南芥PSI基因中包括两
个编码酸性磷酸酶(APase)的基因: ACP5和VSP1。
另外, 在过表达AtMIR399的番茄(Lycopersicon es-
culentum L.)根部, 磷转运蛋白增加的同时, 酸性磷
酸酶和质子的分泌量也增加, 有效地促进了植物
对土壤中磷的转化与吸收(Gao等2010), 这与Bari
等 ( 2 0 0 6 )的研究结果相符。磷转运蛋白基因
PHT1;8和PHT1;9转录水平在pho2突变体根中显著
提高, 可能是pho2突变体磷过量累积的原因, 而且
RNA干扰PHT1;8的pho2突变体也发生了磷的过量
累积; 但是, 通过T-DNA敲除抑制PHT1;8和/或
PHT1;9表达的pho2突变体中磷的累积并未受到影
响, 出现这个矛盾的原因还不清楚, 故PHT1;8和
PHT1;9对于pho2突变体中磷过量累积的作用还需
更加深入的研究与验证(Kuo和Chiou 2011)。
(5) TPSI1/Mt4/At4对miR399的调控。受Pi饥
饿诱导的一类基因 , 如番茄中的TPSI1 (Liu等
1997)、苜蓿中的Mt4 (Burleigh和Harrison 1997)和
拟南芥中的At4、At4-1、At4-2、IPS1 (Burleigh和
Harrison 1999; Martín等2000; Shin等2006), 这些基
因的转录本长500~700 nt, 没有开放阅读框, 被认
为是非编码RNA (MacIntosh等2001)。TPSI1/Mt4/
At4家族基因只有一段24 nt的同源序列(Burleigh和
Harrison 1999; Martín等2000), 编码的RNA序列能
与miR399的序列部分互补(Shin等2006), 在miR399
发挥剪切作用的位点, 这段非编码RNA通过自身
几个碱基的配对形成一个帽子结构(gap), 保护自
己免遭剪切(Mallory和Bouché 2008)。研究发现,
在野生型拟南芥中, 即使在miR399大量表达时,
PHO2的转录本也并没有被完全降解, 而是保留在
适当的水平, 可能用于其他的生物功能(Aung等
2006; Bari等2006)。TPSI1/Mt4/At4家族基因的
RNA可能作为miR399的“目标相似物”(target mim-
ics), 通过自身与miR399的结合, 隔离(sequester)了
miR399和PHO2 mRNA的结合从而发挥作用(Fran-
co-Zorrilla等2007)。
PHR1能够结合在拟南芥IPS1和At4的P1BS
(PHR1 binding sequence)元件上启动这些基因的表
达, SIZ1可以通过SUMO化修饰激活PHR1蛋白, 一
方面促进miR399的表达以增强对Pi的吸收, 另一
方面也促进了IPS1/At4的表达, IPS1/At4的转录产
物又抑制miR399发挥作用(Miura等2005), 这样可
能是为了使miR399和PHO2/UBC24都保持在适当
的水平, 发挥各自的作用; 此外, PHR1促进SPX1、
SPX3和其他PSI基因的表达, SPX1又进一步促进
PSI基因的表达, 而SPX3却能够负调控SPX1和PSI
基因的表达, 这样的调控方式可能是为了使PSI基
因的表达也保持在一定的水平。至此, 我们得到
了miR399参与调控Pi内源平衡的大致路径(图
2-B)。
2.2.2 其他miRNA在磷营养胁迫中的作用 除了
miR399以外, 拟南芥中还有几种磷响应的miRNA:
miR398、miR778、miR827和miR2111。其中
miR778、miR827和miR2111受磷胁迫上调表达;
miR398受磷胁迫下调表达(Pant等2009), 它们的靶
基因已经被鉴定出来(Hsieh等2009), 但它们对于
磷胁迫具体的调控路径还不十分清楚。
2.3 miRNA在硫营养胁迫中的作用
硫元素(S)是许多生化物质的重要组成元素,
比如甲硫氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、硫辛酸、辅
酶A、硫胺素焦磷酸、生物素、腺苷酰硫酸和腺
苷三磷酸(潘瑞炽2008); 另外, S也是谷胱甘肽和硫
氧还蛋白(thioredoxin)的重要成分。这些物质通过
植物生理学报624
S的氧化还原参与生化反应, 在生物体代谢中起到
至关重要的作用(Leustek 2002)。
植物通过根部吸收土壤溶液中的硫酸盐
(SO4
2-), 这是植物吸收硫的主要形式。在拟南芥
中, 有2种高亲和力的硫酸盐转运蛋白(sulphate
transporter): SULTR1;1和SULTR1;2, 参与了从根部
的土壤溶液中吸收硫酸盐的过程; 另外两种低亲
和力的硫酸盐转运蛋白: SULTR2;1和SULTR2;2,
负责植物体内硫酸盐的运输(Maruyama-Nakashita
等2003; Takahashi等2000); 硫酸盐进入植物体内以
后, ATP硫酸化酶(ATP sulfurylase)能够催化ATP和
SO4
2-生成5-腺苷硫酸(5-adenylylsulfate, APS), 这
样硫酸盐被“激活”, 才能进一步发生一系列反应被
固定到半胱氨酸中(Leustek 2002)。miR395受低浓
度SO4
2-诱导上调表达, SO4
2-浓度升高后表达量迅
速下降, 是第一个被鉴定的受S缺乏诱导的miRNA
(Jones-Rhoades和Bartel 2004)。
(1) MIR395家族成员。拟南芥基因组中MIR395
家族包括6个成员(MIR399A~F) (Jones-Rhoades和
Bartel 2004)。
(2) miR395的作用目标。5RACE分析实验证
明miR395能够作用于APS1/APS4和AST68 (编码
SULTR2;1), 说明miR395参与了对同一代谢途径中
协同作用的2个独立的基因家族的调控(Allen等
2005; Jones-Rhoades和Bartel 2004)。拟南芥中,
APS家族包括4个成员(APS1~4)。在叶部细胞质体
和细胞质基质中均能检测到APS, 但是随着个体的
生长发育, 质体中的APS减少, 而细胞质基质中
APS增加, 这说明APS可能在不同部位执行不同的
功能(Rotte和Leustek 2000)。Hatzfeld等(2000)研究
认为, APS1/APS3/APS4均定位于质体中, 但只有
APS1和APS4被实验证明, 而APS2可能定位于细
胞质基质中。
(3) miR395下游的调控。在低硫的条件下, 拟
南芥中APS1和AST68同时被诱导来提高对硫酸盐
的吸收和利用能力(Lappartient等1999)。Jones-
Rhoades等(2006)研究了不同硫酸盐浓度下miR395
的表达状况, 发现在硫酸盐缺乏条件下, miR395被
诱导上调表达, 与此同时, APS1表达量下降, 二者
表达量呈负相关。
miR395的另一个作用目标——AST68/SUL-
TR2;1编码一个较低亲和力的硫酸盐转运蛋白
SULTR2;1, 该蛋白定位于根和叶的维管组织中, 负
责体内硫酸盐从根到叶的运输。在硫酸盐缺乏条
件下, AST68在根部表达量迅速升高(Takahashi等
2000, 1997); 不过短时间内AST68的转录本在叶部
的积累量并没有明显的改变, 但在较长时间后降
低(Takahashi等2000), 这可能与硫酸盐缺乏较长时
间后miR395的积累量显著升高有关。
(4) miR395上游的调控。拟南芥中一个关键
的转录因子——SLIM1 (sulfur limitation 1), 能够
在硫缺乏条件下, 有效地促进SULTR1;2的转录, 使
高亲和力的硫酸盐转运蛋白SULTR1;2大量表达,
从而增强了植物对土壤中硫酸盐的吸收能力(Mar-
uyama-Nakashita等2006); Kawashima等(2009)研究
发现, 低硫条件对miR395的诱导依赖于SLIM1, 但
是, SLIM1是直接调控还是通过调控其他蛋白的表
达间接调控miR395的表达还不清楚; 他们还发现
slim1突变体中SULTR2;1受硫胁迫诱导仍然有适中
的表达 , 认为还有其他转录因子参与了对SUL-
TR2;1的调控。
(5) miRNA对目标mRNA时间上的正调控和
空间上的负调控。在S缺乏条件下, 拟南芥根部
miR395和SULTR2;1表达量均大量升高, 这似乎与
“miR395负调控SULTR2;1的表达”相矛盾。有研究
表明, miR395主要在根部的韧皮部筛管伴胞细胞
中表达, 而SULTR2;1主要在木质部表达(Takahashi
等2000, 1997)。Kawashima等(2009)的研究认为,
不能排除在韧皮部筛管伴胞细胞中仍有少量SUL-
TR2;1表达和在木质部有少量miR395表达的可能
(由于表达量太少而检测不到), 得出了“miRNA在
时间上正调控在空间上负调控目标mRNA”的结
论。
Kawashima等(2009)的研究发现, S胁迫下, 在
整株植物中均能检测到miR395, 且根和叶中的水
平相当, miR395从叶到根的运输似乎没有必要。
可能的解释是: 叶部S的缺乏诱导miR395只在叶部
表达, 然后运送到根部发挥作用, 促进S的吸收并
运输到叶部。Buhtz等(2008)从油菜韧皮部液体中
克隆出了miR395, 说明miR395可能从叶部通过韧
皮部运送到根部。在根部, S缺乏诱导SULTR2;1的
表达, 促进了硫酸盐从根到叶的运输(Kataoka等
范鹏珍等: MicroRNA在植物营养胁迫中的作用 625
2004)。当根部S充足时, SULTR2;1促进硫酸盐大
量进入根部的中柱细胞(central cylinder), 同时使少
部分硫酸盐进入木质部; 然而, 当叶部硫酸盐需求
增加时这种运输方式就不能够满足需要 , 此时
miR395对SULTR2;1的抑制就促进硫酸盐大量经
由木质部向叶部运输(Kawashima等2009)。
由此, 我们可以做出如下推断: APS是硫同化
途径中第一个反应的关键酶, 体内硫酸盐的缺乏
诱导miR395表达, miR395可能一方面通过负调控
APS暂时抑制硫的同化, 使体内硫酸盐保持在一定
的水平; 另一方面通过在根部对AST68/SULTR2;1
的调控, 促进硫酸盐从根到叶的运输。至此, 可以
得到miR395参与S胁迫调控的作用途径(图2-C), 相
关研究的进一步深入将会为我们提供更加清晰的
途径。
3 调控植物营养胁迫的miRNA的“可移动性”
miR169、miR399和miR395这3种miRNA都
可以在维管组织中表达, 这可能与它们参与对营
养胁迫下相关元素的吸收和运输过程的调控有关;
同时, 这些miRNA还可能作为移动的信号分子参
与对相关胁迫的调控, 已证明miR395可以在拟南
芥筛管的伴胞细胞中表达 , 一旦发生S胁迫 ,
miR395就可以迅速进入筛管分子发挥作用(Kawa-
shima等2009)。Pi胁迫下, 在南瓜(Cucurbita maxi-
ma L.)和油菜韧皮部液体中miR399积累量增大
(Pant等2008), 说明miR399可能通过韧皮部进行运
输; 拟南芥和烟草嫁接实验的结果为miR399能够
通过韧皮部从Pi缺乏的叶向Pi充足的根部“远距
离”运输、在根部抑制UBC24/PHO2表达从而促进
Pi的吸收提供了强有力的证据(Bari等2006; Lin等
2008)。
Buhtz等(2008)从油菜韧皮部液体中克隆出多
种miRNA, 包括miR169、miR399和miR395; Pant
等(2009)也从油菜韧皮部液体中检测到多种响应
氮和磷胁迫的miRNA, 包括miR169和miR399;
Válóczi等(2006)通过原位杂交从烟草韧皮部检测
到了几种miRNA。这些研究表明: 以miR169、
miR399和miR395为代表的、对植物营养胁迫具有
调控作用的一些miRNA具有“可移动性”, 即它们
可以作为信号分子从合成部位经过一定距离、运
送到特定部位发挥作用。
4 调控营养胁迫的miRNA在植物中的保守性
编码小RNA的基因是由其目标基因的重复、
倒置和缺失而产生的, 或者是由基因间隔区产生
(Mallory和Vaucheret 2004; Xie等2004)。在多种植
物中保守的miRNA往往具有多个拷贝, 而非保守
的miRNA往往只有一个拷贝 , 而且一个保守的
miRNA家族的不同成员具有不同的表达效率(Ka-
washima等2009)。
实验已证明miR169、miR167、miR398在拟
南芥、油菜、玉米等植物中存在, 统计结果显示:
miR169、miR167、miR398分别在41、33、17种
植物中表达(Sunkar和Jagadeeswaran 2008), 这些结
果一定程度上说明这3种miRNA的表达在高等植
物中可能是保守的。
除拟南芥、水稻、南瓜、油菜以外, 其他一
些高等植物中可能编码miR399的基因也被鉴定出
来, 包括苜蓿、高粱(Sorghum bicolor L.)、玉米、
大豆(Glycine max L.)和杨属(Populus)的多个种
(Zhang等2006); 拟南芥UBC24的同源序列在水
稻、苜蓿和杨树中也被鉴定出来(Bari等2006); 在
Pi缺乏条件下, 水稻和番茄中的miR399也上调表
达(Bari等2006; Chiou等2006), 而且过表达At-
MIR399的番茄和烟草叶部也出现Pi的过度积累
(Gao等2010; Lin等2008)。统计结果显示: miR399在
28种植物中表达(Sunkar和Jagadeeswaran 2008)。这
些结果说明: miR399调控UBC24基因的表达并参
与磷胁迫调控的信号通路在高等植物中可能是普
遍存在的, miR399的表达在高等植物中可能是保
守的。
MIR395作为一个大的基因家族在多种单子叶
和双子叶植物中存在(Zhang等2006), 统计结果显
示: miR395在18种植物中表达(Sunkar和Jagadee-
swaran 2008)。拟南芥中该家族包括6个基因分为2
个“族群” (cluster), 水稻中包括24个基因分为4个
“族群” (Guddeti等2005; Jones-Rhoades和Bartel
2004)。拟南芥中每个“族群”包括3个基因, 聚集在
4 kb以内; 水稻中每个“族群”最多包括7个基因, 聚
集在1 kb以内, 由于其片段较短, 这些基因可能转
录成多顺反子的转录本(Guddeti等2005)。在动物
中发现了大量miRNA“族群”, 果蝇(Drosophila mel-
anogaster)中被预测的miRNA基因近一半是“成族
植物生理学报626
定位” (located within clusters)的(Aravin等2003); 在
灰色短尾负鼠(Monodelphis domestica) X染色体上
也发现了“成族定位”的miRNA基因(Devor等2011);
另外 , 在人的染色体上也存在 “成族定位 ”的
miRNA基因(Tanzer和Stadler 2004), 但像这样“成
族定位”的miRNA基因在植物中似乎不常见(Millar
和Waterhouse 2005), MIR395便是少有的例子。这
样的MIR基因“族群”反映了miRNA可以对进化过
程中重复发生的一组基因发挥其调控作用, 也说
明miR395在植物进化过程中可能是保守的。
5 展望
miRNA已经在拟南芥、水稻、油菜、番茄等
多种植物中被鉴定出来, 尽管其对于植物的生长
发育具有重要的调控作用, 但是在植物生理方面
的功能还需要深入的研究和探讨。茎环反转录
PCR (stem-loop RT-PCR)、膜阵列(macroarray)、
微阵列(microarray)、高通量测序(highthroughput
sequencing)和基于生物信息学的计算机分析技术
将会使更多的植物miRNA在基因组范围上被鉴
定、预测并证实其靶基因、明确其调控路径, 这
将为深入研究miRNA对植物营养胁迫的响应、阐
明miRNA在植物生理方面的功能提供便利, 并能
够为进一步通过“miRNA工程”进行分子育种奠定
理论和技术基础。
氮、磷、硫是限制植物生长的3种大量元素,
能够影响作物的品质和产量。目前农业上普遍通
过使用化肥来缓解作物营养元素的缺乏, 但是化
肥的过度使用会加重环境污染并影响生物多样性,
这些问题可通过减少化肥的使用和培育高效利用
营养元素的新品种而得到缓解。因此, 可以通过
基于miRNA调控的分子育种来提高作物对营养元
素的吸收和利用能力, 从而达到增收增产并保护
环境的双重目标。
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