全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (8): 1071~1078　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0038 1071
收稿 2014-02-11　　修定 2014-07-07
资助 国家自然科学基金(31371426)。
* 通讯作者(E-mail: angy@henu.edu.cn; Tel: 0371-23888901)。
植物miRNA介导磷信号转导的研究进展
雷凯健1,2, 安国勇1,*
河南大学1生命科学学院, 棉花生物学国家重点实验室, 2药学院, 河南开封475004
摘要: MicroRNA (miRNA)是一类新型的调控靶基因表达的小分子RNA, 参与调节植物的生长发育和抗逆反应等多种生理
过程。近年来, 随着miR399调节植物磷平衡分子机制的发现, 人们开始广泛关注miRNA在低磷信号转导和磷平衡中的作
用。本文基于近几年的研究进展, 综述miR399、miR827等磷响应miRNA在低磷信号转导以及调节磷平衡过程中的作用和
分子生理机制。
关键词: miRNA; 低磷胁迫; 磷平衡
Advances in miRNAs Mediated Phosphate Signaling in Plants
LEI Kai-Jian1,2, AN Guo-Yong1,*
1College of Life Sciences, State Key Laboratory of Cotton Biology, 2Pharmacy College, Henan University, Kaifeng, Henan
475004, China
Abstract: MicroRNAs (miRNAs) are short RNA chains which are emerging as important regulators of target
gene expression and playing fundamental roles in plant growth and development, as well as in adaptation to bi-
otic and abiotic stresses. In recent years, with the discovery of the involvement of miR399 in phosphate homeo-
stasis, the important role of miRNAs in phosphate signaling and phosphate homeostasis has aroused wide atten-
tion. Based on the research progress in recent years, this report reviews the mechanism of miRNAs mediating
low phosphate signal transduction and regulating phosphate homeostasis.
Key words: miRNA; low Pi stress; Pi homeostasis
综　述 Reviews
Micro-RNAs (miRNAs)是内源性单链小分子
RNA, 长度为21~24 nt, 由发夹结构的前体剪切加
工产生(Bartel 2004; Ambros等2003; Zhang等2009),
该加工过程与同样是小分子RNA的siRNA不同。
siRNA来源于外源的长链dsRNA, 经过Dicer酶切
割形成双链siRNA (Bernstein等2001)。而miRNA
在细胞核内由Drosha酶剪切成为70 nt的带有茎环
结构的前体miRNA (Lee等2003), 前体miRNA被转
运到核外之后, 再由Dicer酶剪切形成成熟miRNA
(Hutvagner等2001)。成熟miRNA通过识别并结合
靶mRNAs的互补区域, 在转录后水平调节靶基因
表达产物的含量。靶mRNAs上的互补区域被称作
miRNA响应元件(miRNA response element, MRE),
植物中M R E大多分布在靶基因的编码区、5 ′
UTRs和3′ UTRs部位(Rhoades等2002)。miRNA的
含量受多种生物及非生物胁迫调节 , 成熟的
miRNA通过与靶基因的MRE结合参与调节植物的
多种生理过程(Sunkar和Zhu 2004; Navarro等2006;
Chiou 2007; Li等2008)。
磷是植物生长发育所必需的大量营养元素。
植物生长发育所需的磷主要是从土壤中吸收获得,
虽然土壤中总磷的含量并不低, 但由于土壤中大
部分的磷与钙、铁、铝等结合, 形成难溶性、移
动性差的结合态磷, 因此土壤中可被植物吸收利
用的有效磷含量非常低(Raghothama 1999), 磷营养
缺乏是植物生长发育过程中常见的一种逆境胁
迫。植物在长期的进化过程中形成了许多适应低
磷胁迫策略。例如: 低磷胁迫可诱导植物的侧根
及根毛的长度和数量增加, 扩大磷营养的吸收面
积; 诱导根部分泌更多有机酸、酶类等物质, 从而
将难溶性和不可直接利用磷转换为可溶性磷, 提
高土壤有效磷的含量; 诱导磷饥饿响应基因的表
植物生理学报1072
达, 提高磷转运蛋白的含量和活性, 促进植物对磷的
吸收和转运(Bates和Lynch 1996; Rausch和Bucher
2002; Ticconi和Abel 2004), 从而实现植物对土壤
磷营养的高效利用。近年来研究表明, miRNA作
为一类重要信号分子, 响应低磷逆境胁迫, 参与调
节磷饥饿相关基因的表达, 进而维持植物体内的磷
平衡, 是植物适应低磷胁迫反应的关键调节分子。
1 miR399介导的低磷信号及其在植物磷平衡中的
作用
miR399是首个被发现参与介导低磷信号的
miRNA分子(Sunkar和Zhu 2004), miR399受低磷胁
迫诱导表达, 并作为系统信号分子, 调节磷营养的
吸收和转运, 维持植物体内的磷平衡, 是植物适应
低磷胁迫反应的关键调节分子。
1.1 miR399及其靶基因
miR399最初是在拟南芥和水稻中被发现的
(Sunkar和Zhu 2004; Bari等2006), 进一步的研究表
明, 拟南芥基因组中有6个基因位点分别编码mi-
R399a - f , 水稻基因组中有11个基因位点编码
miR399。拟南芥和水稻中编码miR399的基因可被
低磷胁迫特异性地诱导表达, 并参与调解植物体
内的磷平衡。在正常的磷营养条件下 , 超表达
miR399可使拟南芥叶片中的磷含量显著升高, 约
为野生型中的3倍, 同时植株也表现出叶片边缘黄
化坏死、老叶提前衰老等典型的磷中毒症状(Fujii
等2005; Aung等2006; Bari等2006; Chiou等2006)。
这些结果表明, 低磷诱导的miR399可促进植物对
磷营养的吸收和转运(Fujii等2005)。
作为miR399的靶基因, PHO2 (PHOSPHATE
2)编码的蛋白为泛素连接酶E2。PHO2基因的5′
UTR区含有5个miR399的识别位点, miR399通过识
别和结合这些位点, 调节UBC24/PHO2的表达水平
和生理功能(Fujii等2005)。已有的实验结果表明,
低磷诱导或超表达miR399都可抑制PHO2的表达,
miR399突变或缺失可阻断低磷胁迫对PHO2表达
的抑制作用(Bari等2006)。进一步的研究表明,
PHO2功能缺失突变体和miR399超表达植株具有
相似的叶片磷过量积累特性(Aung等2006)。因此,
miR399通过调节靶基因PHO2表达, 介导低磷胁迫
信号, 调节植物体内的磷平衡(Bari等2006)。
miR399及其靶基因PHO2的同源基因已在水
稻、番茄、大豆、菜豆和蒺藜苜蓿等被子植物中
被发现。在这些物种中, miR399的同源基因也可
被低磷胁迫诱导表达, PHO2同源基因的5′ UTR区
都含有miR399互补序列(Bari等2006; Lin等2008),
在水稻和菜豆中, miR399和PHO2的同源基因在响
应磷饥饿时 , 二者的表达量呈现出负相关性
(Valdés-López等2008; Hu等2011)。因此, miR399/
PHO2调节磷平衡方式是被子植物中一种广泛存
在的低磷胁迫适应机制。
1.2 miR399是调节植物磷平衡的系统信号分子
最近研究发现 , 低磷胁迫可引起成熟的
miR399在油菜和南瓜的韧皮汁液中积累(Lin等
2008)。在正常的磷营养条件下, 野生型拟南芥根
部的miR399转录产物含量很低 , 若将超表达
miR399植株的地上部分嫁接到野生型拟南芥的根
上, 可引起野生型根部miR399的积累, 该嫁接植株
也表现出类似于pho2突变体的磷反应表型(Pant等
2008)。当野生型植株的地上部分嫁接到miR399
超表达植株的根上时 , 在植株的茎中检测不到
miR399的积累。这表明, miR399作为一个长距离
系统信号分子, 通过韧皮部向根部运输, 并传递植
株地上部分的低磷信号, 调节根部的靶基因表达
和磷的吸收转运(Lin等2008)。
1.3 miR399的活性受靶标模拟机制调节
除PHO2之外, 含有miR399互补序列的基因还
有TPSI家族的TPSI1和Mt4。TPSI1最初在西红柿
中被发现, 之后在蒺藜苜蓿中发现了Mt4; 而在拟
南芥中却同时发现了IPS1和At4的存在(Burleigh和
Harrison 1997; Liu等1997; Shin等2006)。IPS1和
At4作为非编码RNA, 可被低磷胁迫特异性地诱导
表达; 另外, 两者都含有一个长度为23 nt的保守区
域, 该区域与miR399的大部分碱基互补, 其中有非
互补的碱基存在。为了研究miR399与 IPS1的
mRNA关系, Franco-Zorrilla等(2007)构建了IPS1和
miR399的超表达转基因植株, 发现超表达miR399
虽然能引起PHO2的mRNA减少, 却不能引起IPS1
的mRNA降解, 而超表达IPS1能够抑制miR399对
PHO2的降解, 引起叶片的磷含量降低。利用本氏
烟草瞬时表达系统的研究表明, IPS1和miR399存
在直接的相互作用; 由于IPS1与miR399的互补区
域多出几个非互补的碱基, 二者在形成互补结构
时, 多出的碱基会形成环状结构; 研究表明, 非互
补的环状结构使得IPS1不能被miR399剪切, 这种
雷凯健等: 植物miRNA介导磷信号转导的研究进展 1073
能够与miRNA399结合却不能被降解的IPS1被称
为模拟靶基因。进一步的研究表明, IPS1通过与
miR399的结合竞争性地抑制了miR399与PHO2转
录产物的结合, 阻断了miR399对PHO2转录产物剪
切, 进而引起PHO2转录产物的积累和表达产物生
物活性的增强。与IPS1相类似, 在低磷条件下, At4
功能缺失也可引起拟南芥叶片中磷含量上升(Shin
等2006)。这种基于靶标模拟(target mimicry)来调
节miR399作用的分子机制, 为实现人工合成靶标
miRNA来抑制miRNA活性和功能的研究奠定了基
础(Todesco等2010), 这也是植物维持体内磷平衡
的重要方式。因此 , 在低磷胁迫响应过程中 ,
miRNA自身活性受非编码RNA的调节。
1.4 miR399上游调控因子
PHR1 (PHOSPHATE STARVATION RESPONSE
1)与磷饥饿响应基因PSR1同源, 都属于MYB类转
录因子。在莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)
中, PHR1通过调节多种磷饥饿响应基因的表达来
调控个体的低磷反应(Wykoff等1999; Rubio等
2001)。在拟南芥中, phr1基因的突变可抑制植物
的低磷反应和多种低磷响应基因的表达, miR399
的5个前体的编码基因在此突变体中的表达量也
受到显著抑制。而在磷充足条件下, phr1突变体中
表达被抑制的一部分基因, 却由于pho2的突变其
表达又被上调。这表明miR399/PHO2位于PHR1信
号网络的下游(Bari等2006)。
顺式作用元件分析表明, miR399f的启动子区
含有2个AtMYB2的结合位点; 进一步的实验发现,
低磷条件下, AtMYB2和miR399f的表达模式和组织
定位十分相似。体外凝胶迁移实验、体内的瞬时
表达分析实验和染色质免疫沉淀实验均表明, At-
MYB2作为miR399f基因转录激活子可直接调控
miR399f基因的表达和植物的低磷反应(Baek等
2013)。因此, 包括PHR1和AtMYB2在内的多种
MYB类转录因子可能作为miR399的上游信号分
子, 共同参与调节植物体内的磷平衡。
1.5 miR399/PHO2的下游信号途径
PHO2作为miR399的靶基因, 其编码的泛素连
接酶E2具有蛋白酶的活性; PHO2突变可导致拟南
芥根部PHT1;8和PHT1;9积累。PHT1;8和PHT1;9
是定位在细胞质膜上的磷转运蛋白, 利用RNA干
扰(RNA interference, RNAi)技术敲除PHT1;8基因
可抑制pho2突变引起的植株体内磷的积累(Aung
等2006; Bari等2006)。因此, PHT1;8和PHT1;9可能
位于PHO2信号途径的下游, 并作为效应分子维持
植物体内的磷平衡。另外, pho2的突变也可引起拟
南芥叶细胞内编码磷转运蛋白的PHT2;1、PHT3;1
和PHT3;2基因以及水稻根中编码磷酸酶和核糖核
酸酶的基因表达量升高(Liu等2010; Hu等2011), 这
进一步证明了植物磷平衡的众多效应分子可作为
miR399/PHO2信号通路的下游成分受PHO2调
节。磷吸收动力学分析表明, pho2突变可引起植物
对磷吸收的最大速率(Vmax)显著增加, 而磷吸收的动
力系数(Km)却没有明显变化, 也就是说, pho2突变只
能够引起磷吸收蛋白的数量增加, 却不能够改变磷
吸收蛋白本身的特性。因此, PHO2是通过调控磷
转运蛋白的数量来调节植物对磷的吸收和体内磷
平衡(Aung等2006)。Huang等(2013)通过膜蛋白组
学技术和免疫印迹方法筛选分析PHO2的下游组
分的实验结果, 进一步证实了pho2的突变和蛋白
功能缺失可引起PHT1 (PHOSPHATE TRANSPORT-
ER 1)家族(PHT1;1、PHT1;2、PHT1;3和PHT1;4)
和PHF1 (PHOSPHATE TRANSPORTER FACILI-
TATOR 1)蛋白的积累。这为认识miR399/PHO2调
节下游的分子机制提供了更为直接的证据。
Liu等(2012)通过EMS诱变pho2突变体的方
法, 筛选寻找PHO2的抑制子和PHO2下游的信号
分子, 该实验筛选得到的两个突变体都是由PHO1
错义突变所引起的。已有的研究结果表明, PHO1
负责磷转运过程中磷在木质部的装载(Poirier等
1991; Delhaize和Randall 1995)。Liu等(2012)发现,
pho2的突变可促进PHO1蛋白的积累。蛋白质合
成抑制剂环己酰亚胺处理后 , 野生型植株中的
PHO1迅速降解, 而pho2的突变可导致PHO1降解
速率降低。半胱氨酸蛋白酶抑制子E-64d处理实验
表明, PHO1降解是依赖于PHO2的泛素连接酶活
性。另外, 在本氏烟草叶片的瞬时表达系统中发
现, 部分PHO1与PHO2蛋白共定位于细胞内膜上,
并且在此互作。因此, 定位于内膜上的PHO2可在
翻译后水平上调节PHO1蛋白的含量和活性, PHO1
也作为miR399/PHO2信号途径的一个下游成分,
直接参与调节植物的磷平衡。
2 miR827以氮依赖的方式来维持植物的磷平衡
与miR399相似, miR827被缺磷特异地诱导大
植物生理学报1074
量表达(Hsieh等2009)。miR827的靶基因所编码的
蛋白含有SPX结构域。在酵母中, SPX结构蛋白参
与低磷信号的感知和磷转运的调节; 植物中的SPX
结构蛋白可响应磷浓度的变化并负责磷在木质部
的装载(Hamburger等2002; Duan等2008)。在拟南
芥中, miR827的靶基因NLA (NITROGEN LIMITA-
TION ADAPTATION)编码一个N-端含有SPX结构
域、C-端含有一个RING结构域的蛋白, 该RING结
构域具有泛素连接酶E3的连接酶活性(Peng等
2007; Yaeno和Iba 2008; Hsieh等2009; Pant等2009);
缺磷胁迫可引起NLA表达下调(Hsieh等2009; Kant
等2011)。NLA作为首个被发现参与缺氮响应的
miRNA靶蛋白, nla突变体在低氮条件下表现出早
衰的表型特征(Peng等2007); PHF1或者PHT1;1突
变体可以抑制缺氮诱导的nla突变体的早衰表型;
进一步研究发现, nla突变体早衰的表型是由于磷
过量积累所引起的。在低氮条件下, miR827超表
达植株出现与nla突变体相一致的磷过量表型。
Lin等(2013)的研究表明, NLA和PHT1s在细胞质膜
上发生互作, nla突变可引起PHT1家族的内吞和泛
素化作用减弱, 这表明NLA介导了质膜上PHT1s的
泛素化过程。因此, miR827/NLA以氮依赖的方式
来维持植物的磷平衡(Kant等2011), miR827/NLA
可能是氮/磷信号通路链接节点。
Kant等(2011)发现pho2突变体也具有氮依赖
的磷积累表型, nla/pho2双突变体出现与nla和pho2
突变体相似的磷过量特征, 因此, NLA和PHO2在
功能上同处于一个信号网络中。虽然两者的细胞
定位不同, 功能独立, 但NLA与PHO2可以协同调
控PHT1s的蛋白量和磷的吸收(Lin等2013)。Park
等(2014)的研究表明, 在磷充足条件下, NLA和
PHO2以伴侣关系共同促进PHT1;4的泛素化降解;
在低磷条件下, 它们分别被miR827和miR399降解,
抑制二者对PHT1;4的降解作用, 从而促进植物对
磷的吸收和转运(图1)。
图1 PHO2通过NLA和PHO1调控磷吸收和转运的模式
Fig.1 The model of Pi uptake and root-to-shoot Pi translocation through NLA and PHO1 by PHO2
水稻中的miR827 (osa-miR827)同样被低磷胁
迫诱导表达, 但其表达具有组织结构的特异性。
osa-miR827的靶基因OsSPX-MFS1和OsSPX-MFS2
所编码蛋白具有特异的结构特征, 这些蛋白的N-
端是SPX结构域, C-端含有MFS结构域, 称之为
SPX-MFS蛋白, 这类蛋白可能与无机磷的感知和
转运有关(Marger和Saier 1993; Lin等2010)。通过
对osa-miR827的超表达植株和缺失突变体分析发
现 , o s a - m i R 8 2 7负调控O s S P X - M F S 1和O s -
SPX-MFS2的表达, 但在低磷条件下, OsSPX-MFS1
表达下调, 而OsSPX-MFS2表达上调。这表明, 低
磷条件下osa-miR827对两个靶基因的调节具有相
对复杂的机制; 根据原位杂交等实验的结果推测,
这一复杂的调控特征可能与相关基因表达的时空
特性有关(Lin等2010)。
3 其他miRNA的低磷响应特征
随着miR399和miR827参与调节磷平衡的分
子机制的发现, 其他一些参与磷响应的miRNA家
族也通过基因芯片、高通量小RNA测序、qRT-
PCR及Northern杂交等实验被鉴定出来。其中大部
雷凯健等: 植物miRNA介导磷信号转导的研究进展 1075
分miRNA具有类似的低磷响应特性, 但也有一些种
类的miRNA对低磷的响应具有物种、组织或器官
的特异性。例如, miR395在拟南芥幼苗中的表达被
低磷胁迫抑制, 而在白羽扇豆中则被低磷诱导上调
(Hsieh等2009; Zhu等2010)。这些miRNA的靶基因
编码的蛋白大多为转录因子, 也有部分miRNA的靶
基因编码生物或非生物胁迫的响应因子或酶类, 这
些酶类可参与蛋白的修饰与降解过程(表1)。
表1 响应低磷胁迫的miRNA及其已知靶蛋白汇总
Table 1 Summary of PSR miRNA families which target genes are known
miRNA家族 靶蛋白 物种及响应低磷的表达情况 参考文献
miR156 SPL转录因子家族 拟南芥: 根(+); 白羽扇豆: 根(+), 叶(-); 玉米: 根(+); Kuo和Chiou 2011;
大麦: 根(+) Hackenberg等2013
miR157 SPL转录因子家族 菜豆: 节结(+) Kuo和Chiou 2011
miR159 TCP转录因子家族 白羽扇豆: 根(+), 茎(-), 叶(-); 大豆: 根(-) Kuo和Chiou 2011;
Xu等2013
miR160 生长素响应因子(ARFs) 白羽扇豆: 根(+), 叶(-) Kuo和Chiou 2011
miR164 NAC转录因子 白羽扇豆: 根(+), 幼苗叶(-), 叶(-) Kuo和Chiou 2011
miR166 HD-ZIP转录因子 白羽扇豆: 根(+), 茎(-), 叶(-); 大豆: 根(-) Kuo和Chiou 2011
miR167 生长素响应因子(ARFs) 白羽扇豆: 根(+), 叶(-) Kuo和Chiou 2011
miR168 Argonaute (AGO1) 白羽扇豆: 根(+), 叶(+); 大麦: 幼苗叶(+) Kuo和Chiou 2011;
Hackenberg等2013
miR169 NFYA转录因子 拟南芥: 幼苗(-), 根(-), 幼苗叶(-); 水稻: 根(-), 幼苗叶(-); Kuo和Chiou 2011; Pant等
油菜: 韧皮汁(-) 2009; Secco等2013
miR171 SCARCROW类转录因子 白羽扇豆: 茎(+), 叶(+) Kuo和Chiou 2011
miR172 AP2转录因子 番茄: 叶(-) Kuo和Chiou 2011
miR319 TCP转录因子 白羽扇豆: 根(+), 茎(-); 番茄: 根(+), 叶(-); 大豆: 根(-) Kuo和Chiou 2011
miR390 生长素响应因子(ARFs) 白羽扇豆: 根(-) Kuo和Chiou 2011
miR394 F-框蛋白 番茄: 根(+) Kuo和Chiou 2011
miR395 ATP硫酸化酶和硫酸转运子 拟南芥: 根(-), 幼苗叶(-); 白羽扇豆: 根(-), 茎(+), 叶(+) Kuo和Chiou 2011
miR396 生长调节因子(GRF) 白羽扇豆: 根(+), 叶(-) Kuo和Chiou 2011
miR397 漆酶和β-6-微管蛋白 白羽扇豆: 叶(-); 菜豆: 叶(-) Kuo和Chiou 2011
miR398 铜/锌过氧化物歧化酶和 拟南芥: 幼苗(-), 根(-), 幼苗叶(-); 番茄: 叶(+); 大豆: 根(-); Kuo和Chiou 2011
细胞色素c氧化酶亚基V 菜豆: 叶(-)
miR399 泛素连接酶2 拟南芥: 幼苗(+), 根(+), 幼苗叶(+); 蒺藜苜蓿、菜豆、大豆: Kuo和Chiou 2011;
根(+), 叶(+); 柳枝稷: 幼苗叶(+); 白羽扇豆: 叶(+); 番茄: Hackenberg等2013;
根(+), 茎(+), 叶(+); 水稻: 根(+), 幼苗叶(+); 玉米: 根(+); Pant等2009; Xu等2013;
大麦: 根(+), 幼苗叶(+); 油菜: 韧皮汁(+); 小麦: 根(+), 叶(+) Oono等2013
miR778 SET结构域蛋白 拟南芥: 幼苗(+), 根(+), 幼苗叶(+) Kuo和Chiou 2011
miR827 泛素连接酶3 (NLA) 拟南芥: 幼苗(+), 根(+), 幼苗叶(+); 水稻: 根(+), 幼苗叶(+); Hackenberg等2013; Kuo和
大麦: 幼苗叶(+); 油菜: 韧皮汁(+) Chiou 2011; Pant等2009
miR828 TAS4 拟南芥: 幼苗叶(+) Kuo和Chiou 2011
miR2111-5p F-框蛋白 拟南芥: 幼苗(+), 根(+), 幼苗叶(+); 大豆: 根(+), 叶(+); Kuo和Chiou 2011; Pant等
油菜: 韧皮汁(+) 2009; Xu等2013
miR6250 未知功能蛋白 水稻: 幼苗叶(+), 根(+) Secco等2013
Zm-miRNA1 锌指蛋白 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA2 WRKY转录因子 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA3 小GTP酶家族 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA4 WD40结构域蛋白 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA5 硫氧还蛋白 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA6 谷胱甘肽转硫酶 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA7 bHLH蛋白 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA8 类蛋白激酶 玉米: 根(+) Zhang等2012
Zm-miRNA9 α/β水解酶 玉米: 根(+) Zhang等2012
　　“+”表示表达量上调; “-”表示表达量下调。
植物生理学报1076
miRNA的成熟过程是一个剪切加工过程。在
此过程中, 前体miRNA互补链中的一条链被降解,
另一条链最终形成一条成熟的miRNA (Park等
2005; Yu等2005)。比较特殊的是, miR2111在成熟
后, 仍以大量的互补链形式存在。通过RLM 5′-
RACE实验发现, At3g27150基因是miR2111的靶基
因, 其转录产物可被miR2111剪切。虽然miR2111
在缺磷时被特异性大量诱导, 但其靶基因并没有
呈现出与miR2111负相关的表达特性(Hsieh等
2009), 推测miR2111对At3g27150的调控可能存在
时空特异性, 也可能是在翻译水平上进行调控。
除拟南芥之外, 在芜菁、蒺藜苜蓿、百脉根、大
豆、葡萄中也发现miR2111的同源物。miR2111的
保守性表明, 它也是植物响应低磷胁迫的重要调
节分子(Hsieh等2009; Xu等2013)。
低磷诱导产生的miR828可剪切Trans-Acting
SiRNA Gene 4 (TAS4)产生小分子干扰RNA (ta-
siRNAs)。TAS4-siRNA81(-)的靶基因是一系列MYB
家族的基因, 包括PAP1、PAP2和MYB113基因, 这
些基因参与调控花青素合成(Luo等2012)。低磷胁
迫诱导这些MYB家族的基因表达可激活花青素的
合成; 而PAP1/MYB75的表达量上升又可以进一步
激活miR828和TAS4的表达和TAS4-siRNA81(-)增
加 , 进而又反馈抑制自身MYB家族的基因表达
(Hsieh等2009), 维持植物体内磷的动态平衡。
在拟南芥和油菜中 , m iR169及其靶基因
NF-YA受低磷胁迫抑制(Hsieh等2009; Pant等2009),
暗示miR169可能作为一个负调控信号分子, 参与
植物的低磷胁迫反应过程。此外, 在拟南芥中 ,
miR169及NF-YA还参与低氮胁迫和调控根形态发
育(Zhao等2011; Sorin等2014); 在大豆中, miR169
的靶基因GmNFYA3是响应干旱胁迫的正调控子
(Ni等2014); 在玉米中, miR169及其靶基因ZmNF-
YA与植物的干旱、ABA及盐胁迫反应有关(Luan
等2014)。这表明miR169及其靶基因具有功能多
样性。
SPL (SQUAMOSA promoter binding like)家族
蛋白是植物特有的一类多功能性的转录因子家族,
其中的11个SPL基因受miRNA156调控。虽然已经
证明miR156/SPL作为重要信号分子调节植物生长
发育(Yang等2011; 李明等2013), 但miR156在植物
根部受低磷胁迫诱导表达的实验结果暗示
miR156/SPL可能是植物适应低磷胁迫的重要信号
分子(Hsieh等2009)。本实验室近期的研究结果表
明, miR156/SPL可直接参与调节拟南芥响应低磷
胁迫的反应过程(待发表)。
4 展望
磷是植物生长发育所必需的大量元素之一,
植物的磷素主要是以无机磷的形式从土壤中吸收
获得。但由于土壤中可被植物吸收利用的有效磷
含量很低, 低磷胁迫已成为制约农业生产的世界
性难题。miRNA399在植物应对低磷胁迫反应中
的作用及其分子机制研究, 为建立土壤磷高效作
物新品系奠定理论基础。随着高通量测序技术和
计算机分析软件的发展 , 人们已认识到多种
miRNA参与植物的低磷胁迫反应过程。由于
miRNA及其靶基因的多样性决定了miRNA信号途
径的复杂性, 要认清miRNA在植物体内磷平衡过
程中的具体机制还需要开展更多的研究工作。
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