植物MicroRNA研究进展及其在植物与病原菌互作中的作用

耿锐梅，杨宏伟，曹长代，冯全福，陈志强，罗成刚

(1.中国农业科学院烟草研究所 烟草遗传改良与生物技术重点开放实验室，山东 青岛 266101;2.山东日照烟草有限公司，山东 日照 276500)

MicroRNA(miRNA)是由具有发夹结构的约70～90个碱基大小的单链RNA前体经Dicer酶加工后生成的一种大小约21～23个碱基的单链小分子RNA，不同于siRNA(双链)，但和 siRNA密切相关［1］。1993年 Lee等在线虫体内首次发现miRNA，随后多个研究小组在人类、果蝇、植物等多种生物物种中鉴别出数百个 miRNA［2］，2002年在拟南芥(Arabidopsis thaliana)上鉴定了第1个植物miRNA。到目前为止，已经有320种植物的miRNA家族、多达上千条植物miRNA在miRBase序列数据库中登录，然而超过半数miRNA来自拟南芥、杨树(Populus)和水稻(Oriza sativa)。另外，通过各种计算机软件或其他计算工具以及分子生物学手段已经成功地预测和鉴定了大豆(Glycine max)、 玉 米(Zeamays)、 番 茄(Solanum lycopersicum)、棉花(Gossypium herbaceum)、柑橘(Citrus reticulata Blanco)、葡萄(Vitis vinifera)等多种植物 中已知 的 大多数 miRNA［3－4］。据 推 测miRNA在高级真核生物体内对基因表达的调控作用可能和转录因子一样重要。miRNA可能代表在一个新发现的层次上的基因表达调控方式［5］。

文章对植物miRNA的功能、分子进化、调控机制以及在植物与病原菌互作中的作用进行综述，旨在阐释植物miRNA在植物与病原菌互作与进化中的重要作用，为抗病性机制研究提供理论基础，从而为抗病性育种研究提供一定的研究线索与基础。

1 植物MicroRNA的生物合成及分子进化

miRNA基因首先在RNA聚合酶Ⅱ的作用下转录得到 miRNA前体(pri-miRNA)，由 HASTY(HST)蛋白负责转运至核外，再经类Dicer的DCL(Dicer-likeprotein)酶加工剪切为成熟miRNA分子。成熟的miRNA来源于发夹结构的任意端臂，大多数miRNA位置上起源于5'臂，可能是由于 5'臂动力学不稳定性引起［6－8］。

最初认为，miRNA在所有植物物种间都是保守的，但随后发现，拟南芥的一些miRNA在水稻中并不存在。Allen等提出了植物miRNA进化模型，把miRNA分为“古老的”和“现代的”2类:“古老的”miRNA在植物分化为不同类群之前就已进化完成，这类miRNA是保守的;而“现代的”miRNA则是在现有植物种群都出现后才开始进化，是非保守的［9］。对于miRNA基因簇而言，它们在不同物种之间除了序列的保守性，还涉及比如基因排列的共线性(Synteny)、重复拷贝的数量等一些进化问题。植物基因组中的这2种重复机制也是miRNA基因簇和基因家族进化的主要驱动力。由此，miRNA基因簇的形成不是随机性的，而是在自然选择过程中逐渐积累并得到固定的结果［10－12］。

2 植物MicroRNA的功能调控与作用机制

近年来的研究揭示了miRNA生物学功能的多样性与重要性［13］。最为重要的功能是作为基因表达的负调控因子，在转录后水平调节靶基因的表达，调控生物体的正常发育。miRNA介导的转录后基因调控是生物体内除了siRNA(small interference RNA)引起的RNA沉默之外的另一条小RNA(small RNA，sRNA)调控路径。miRNA参与调控植物的生长发育，例如miR396在叶子形态构建中调控细胞的分裂和分化［14］，在调控开花时间的miRNA家族成员中:miR156主要调控植物生长周期转变;miR172通过调控AP2类基因，控制开花时间和花器官的形成［15］;miR159/miR319的过量表达均会引起一些花发育障碍如花期延迟［16］。miRNA在多种非生物与生物胁迫响应中发挥重要作用:例如miR398是第1个被报道的受氧化胁迫负调控的miRNA，它通过负调控其靶基因 Cu/Zn过氧化物歧化酶(Cu/Zn-superoxide dismutase，CSD)的表达，在多种逆境胁迫响应中扮演重要角色，如调节铜代谢平衡，应答重金属、蔗糖、臭氧等非生物胁迫，以及参与应答生物胁迫等［17－18］。例如，miR393，miR159和miR164的表达就分别受到脱落酸、赤霉酸和生长素的调控［19］。另外，由生物或非生物导致的植物叶片卷曲与miR166相关［20］。据推测miRNA在植物对不同N素条件的适应中有重要作用［21］。除了在转录后水平和翻译水平上起作用外，miRNA还参与基因的甲基化和异源染色体形成继而沉默目的基因。miRNA的存在，对生物正常发育的生理过程起着极为重要的调控作用［22］。

miRNA的功能及作用机制方面的研究是当前生命科学研究的前沿热点之一，miRNA主要机制是抑制靶基因的翻译表达，并通过mRNA3'端脱腺苷酸化导致整个 mRNA的降解［6］。对 miRNA机制的研究，研究人员陆续提出了翻译起始抑制、翻译起始后抑制、mRNA降解、P小体(Processing Body)，SG(Stress Granules)颗粒扣押靶 mRNA等假说模型，从而阐述miRNA如何抑制其靶基因的表达。最近还有文献报道了一些全新的miRNA作用方式，如去抑制和 miRNA激活作用等。Sandberg他们发现，一些在增殖细胞中表达的mRNA 3'UTR保守性地缩短，导致miRNA的靶位点减少，从而产生了一种避免miRNA的负调控作用的一种逃避miRNA抑制的新方式［23］。

3 植物MicroRNA在植物与病原菌互作中的作用

miRNA不仅参与了植物器官的形态建成，还参与调控植物的信号转导系统，对植物正常生长发育起着极其重要的作用。miRNA介导的基因表达调控其独特性还在于其靶基因的多样性及其调控的反馈控制机制，如近来在植物中一个有趣的发现是2个在 miRNA途径上起重要作用的基因 DCL1和AGO1，各自受到 miR162和miR168的负调控。不仅如此，miRNA还在植物的抗病反应中发挥着非常重要和特殊的作用［22，24］。

越来越多的研究表明，miRNA是植物防御反应和免疫应答元件的组成部分，植物通过重组和微调miRNA的基因表达来应对各种植物病原菌的诱导或是抑制作用。这种逆境诱导的基因沉默是通过miRNA的分裂/降解、或者是翻译阻遏作用、或者是DNA甲基化或染色质的改变来实现。在植物与病原菌互作中，病毒和细菌形成基因沉默抑制子(VSRs和BSRs)来抑制寄主植物的 RNAi机制及抗性。与此同时，为了达到与病原菌的协同进化目的，寄主植物产生能识别基因沉默抑制子、诱导抗病性反应的R蛋白。病毒编码的沉默抑制子与宿主植物miRNA/siRNA介导的沉默途径之间的相互作用，以及来源于病毒的小RNA参与植物的抗病反应等，这些新的发现极大地扩展了人们对植物与病原菌之间相互作用机制的认识［25］。

高新生物技术如核酸高通量测序技术、深度测序技术与miRNA基因合成测序、基因芯片技术、生物信息学中miRNA基因及靶基因预测方法、基因发现和功能验证方法、表达序列标签分析等分子实验手段相结合，使得越来越多的新的 miRNA、候选miRNA基因以及非保守miRNA相继被发现［23，26-27］。期望新的 miRNA 及靶基因的发现有助于发现植物抗病信号传导途径中的新元件，从而有助于更深入地理解植物免疫机制。期望越来越多的植物病原菌基因沉默抑制子的发现，有助于提高对植物病原菌与寄主互作和共进化的理解，进而为植物抗病性育种提供研究线索和理论基础［25］。

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