与热诱导的光形态建成和生物钟元件靶向结合的miRNA筛选与分析

屠小菊　汪启明　黄锦周

摘要 随着农作物高温热害日益严重，广泛筛选耐热相关miRNA和深入了解植物的耐热信号传导对保证农作物的品质和产量具有重要的意义。通过miRbase等生物信息网站，筛选到多个可能与表达受热胁迫调控的光信号元件和生物钟基因存在潜在靶向关系的miRNA，这些结果为深入了解调控植物耐热的分子机制奠定了基础。

关键词 热诱导；光形态建成；生物钟；miRNA

中图分类号 Q781 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）20-0001-02

Abstract With the increasing heat damage of crops，it is important to screen heat-tolerant miRNA and understand heat-tolerant signal transduction to ensure the quality and yield of crops.Several miRNA that may have potential targeting relationships with the expression of light-signaling elements and bioclock genes regulated by heat stress have been screened through bioinformatics websites such as miRbase.These results lay a foundation for further understanding the molecular mechanism of regulating plant heat tolerance.

Key words heat induced；photomorphogenesis；biological clock；miRNA

基于小分子RNA是基因表达的重要调节因子，在生物的生长发育和响应胁迫方面起着至关重要的作用[1]。在这些小分子RNA中，有一类内源非编码的，由20～24个核苷酸组成的小分子RNA称为microRNAs（miRNAs）。miRNAs最初是由具有茎环结构的转录本衍生而来。miRNAs通过介导mRNA的降解或翻译的抑制，作为重要的调节因子在转录后水平的基因表达调控中发挥着关键作用[2]。现有研究表明，植物中成熟的miRNAs通过广泛的互补，直接剪切它们的靶标mRNA，不仅在叶片发育、开花时间、器官极性和生长素信号传递等发育过程中发挥着决定性的作用[3]，而且在植物适应抗菌、硫酸盐或磷酸盐缺失、冷、干旱、盐、紫外光辐射、重金属和过氧化氢胁迫等各种各样的生物和非生物胁迫过程中也发挥着重要的作用[4]。植物体内的HSF介导的信号传递网络与上述信号途径有着密切的联系，存在着多个共同调控元件[5]。近年，Schmollinger等试验证明，人工构建的miRNA系统能够抑制莱茵衣藻中的HSF1的表達，从而调控衣藻自身的耐热性[6]。由此推测miRNAs可能在水稻响应热胁迫的基因表达调控网络中发挥重要作用。

1 材料与方法

在miRbase网站利用该网站自带的blastN比对检索系统，将在TAIR和KOME中搜索的靶基因cDNA序列按照种属查找，查找靶基因对应的miRNA。

2 结果与分析

2.1 与热诱导的光形态建成和生物钟元件靶向结合的miRNA筛选

本课题组前期筛选到18个与耐热相关的光形态基因以及10个与耐热相关的生物钟基因。基于miRNA在植物生长发育和适应环境过程中基因表达的重要调控作用，为全面了解与光信号和生物钟相关元件存在靶向关系的miRNA，本研究首先利用miRBase网站查询与光形态建成基因存在靶向关系的miRNA，得到的miRNA结果如表1所示。然后利用plantgrn网站，分析了与筛选出来的水稻生物钟相关基因存在靶向关系的miRNA，结果如表2所示，共发现有5个水稻基因存在靶向结合的miRNA。

2.2 与热诱导的光形态建成和生物钟元件靶向结合的miRNA分析

不同miRNA抑制基因表达的方式不同，有的是抑制mRNA稳定性，有的是在转录水平上进行抑制。对筛选出的miRNA及其靶基因的功能做了初步分析，发现miR5021的靶基因有SPA1、SPA4、HY4、CUL4、PIRL1。其中SPA1、SPA4都是编码SPA蛋白家族的编码基因，而SPA蛋白的N端含有一个丝氨酸或苏氨酸的类激酶基序，其后跟着一个coiled-coil结构和一个正电荷WD重复区域[7]。SPA蛋白是PHY信号途径中的一员，参与光形态建成的光反应阻遏，起调节PHY信号途径的作用，HY4是蓝光受体[8]。miR5021又参与植物雄配子发育，植物耐热的重要表型就是高温下配子仍能正常发育。由此推测，miR5021与HY4、SPA1以及SPA4有可能形成一个新的调控复合体，影响光、温信号对植物耐受高温的表型。

miR838是由DCL1基因的内含子14所编码，可能通过从前体mRNA中形成miR838而自动调节DCL1基因的表达[9]。而DCL1编码Dicer homolog。Dicer酶是一种作用于miRNA加工的RNA螺旋酶，它的突变能导致胚胎死亡[10]。对比miR838可能作用的靶基因HY4和PIRL1可以发现，HY4和PIRL1基因启动子区域都具有LTR元件，并且受冷诱导表达高效。由此推测，寒冷环境能促使miR838高效表达，从而导致DCL1产生突变，并且作用于HY4和PIRL1，阻遏其耐寒元件表达。此外，已有文献报道，与miR838存在靶向关系的AT1G18880在根韧皮部的伴细胞编码一个低亲和力质膜硝酸盐转运体[11]。

对miR773b的分析发现，在拟南芥中miR773b除以COP9为靶标外，还可与AT1G03080.1、AT1G25682.1、AT1G27410.1等存在靶向关系。其中AT1G03080.1编码激酶互作家族蛋白质[12]，并在胚胎成熟期高效表达；AT1G25682.1编码蛋白质，但其功能不明；AT1G27410.1编码DNA修复內酰胺酶家族蛋白，同样在胚胎成熟过程高效表达。由此推测，MIR773的功能与胚胎成熟有关。

3 结论与讨论

通过miRbase等生物信息网站，筛选到多个可能与表达受热胁迫调控的光信号元件和生物钟基因存在潜在靶向关系的miRNA，其中MIR5021、MIR838、MIR773b可能参与植物种子胚胎发育过程中热激信号通路，MIR837可能参与编码转运因子基因调控，MIR414可能参与逆境诱导。其余miRNA在光温信号途径中的作用待进一步研究。虽然能初步阐明部分miRNA在植物光、温信号通路中的作用，但具体作用机制仍处于推测阶段。每一个miRNA具体属于上述哪种功能方式，和通过调控哪个基因的表达而参与植物耐热的信号调控网络，将有待于对相关miRNA进一步研究。

4 参考文献

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