miRNA調(diào)控植物花芽分化的研究進(jìn)展

孫冷雪　潘騰飛　潘東明

摘要

綜述了miR156、miR172、miR159/319等microRNA家族在花芽分化調(diào)控中的研究進(jìn)展，并展望了microRNA在果樹(shù)花芽分化過(guò)程中的研究前景。

關(guān)鍵詞 花芽分化；果樹(shù)；miRNA

中圖分類號(hào)S188文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09682-02

Research Advances on Regulation of MicroRNAs on Floral Bud Differentiation

SUN Lengxue， PAN Tengfei， PAN Dongming*

（College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002）

AbstractResearch advances of miR156， miR172， miR159/319， miR390 in the regulation of flower bud differentiation were reviewed， the research prospect of microRNA in the process of fruit tree flower bud differentiation was forecasted.

Key wordsFloral bud differentiation； Fruit trees； miRNA

植物的一生經(jīng)歷數(shù)個(gè)發(fā)育階段，分別表現(xiàn)不同的形態(tài)特征，分化出新的器官[1]。被子植物中，其中一個(gè)重要的發(fā)育轉(zhuǎn)變是從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)，在此期間花芽分化，花器官形成。對(duì)于果樹(shù)而言，在此轉(zhuǎn)變之前往往要經(jīng)歷一段相當(dāng)時(shí)間的童期。植物在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間完成花芽分化，才能趕在適宜的時(shí)間進(jìn)行受精，形成種子，果樹(shù)才能及時(shí)開(kāi)花和坐果[2-3]，因此花芽分化對(duì)于一個(gè)物種的繁殖至關(guān)重要，對(duì)果實(shí)的產(chǎn)量同樣具有深遠(yuǎn)意義。

早在 20世紀(jì)初，研究者提出植物開(kāi)花的碳氮比理論，認(rèn)為決定植物能否開(kāi)花的因素是植物體內(nèi)碳氮比，該學(xué)說(shuō)一直是解釋果樹(shù)花芽分化的基本理論[4]。近年來(lái)，大量研究表明，外界環(huán)境因素與內(nèi)源激素影響下，果樹(shù)花芽分化相關(guān)基因互相作用，形成了一系列有規(guī)律的調(diào)節(jié)途徑。眾多調(diào)節(jié)途徑彼此交叉、相互作用，形成一個(gè)復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)。在莖尖分生組織中，這個(gè)基因網(wǎng)絡(luò)整合所有環(huán)境條件和內(nèi)部因子，以控制一系列開(kāi)花相關(guān)基因的表達(dá)[5]。最近研究表明，這些開(kāi)花相關(guān)基因的表達(dá)，除受環(huán)境因子和內(nèi)源激素的調(diào)控外，microRNA（miRNA） 的非編碼小分子 RNA 對(duì)這些基因的表達(dá)也具有深遠(yuǎn)的影響。筆者總結(jié)了miR156、miR172、 miR159/319等microRNA家族在花芽分化調(diào)控中的研究進(jìn)展，并展望了miRNA技術(shù)在調(diào)控果樹(shù)花芽分化上的應(yīng)用。

1microRNA在植物花芽分化中的作用

miRNAs是一類18～24 nt 的非編碼RNAs，近年來(lái)被認(rèn)為是真核生物基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)物質(zhì)。1993年，首次在秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans）中發(fā)現(xiàn)miRNA[5]。到2001年，miRNA已經(jīng)被證實(shí)廣泛存在于動(dòng)物界[5-6]。此后，植物界中也發(fā)現(xiàn)了大量的miRNA家族[7-8]。一個(gè)miRNA可以有多個(gè)靶基因，從幾個(gè)到幾十個(gè)不等[9-10]。研究表明，參與花期調(diào)控最主要的miRNAs是miR156 和 miR172 2個(gè)家族。另外，miR159、miR319、miR390 和 miR399 家族在花期調(diào)控中也起著一定的作用。

1.1miR156家族在花期調(diào)控中的作用

在擬南芥中，miR156家族在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控SPL家族的表達(dá)[11-12]，從而影響植物的花芽分化。miR156的靶基因家族中，其中SPL3能夠激活成花途徑整合器基因LFY、FUL和AP1的表達(dá)，從而誘導(dǎo)成花；而具有miR156抗性的SPL3突變體，由于缺乏miR156的識(shí)別元件而對(duì)miR156的沉默機(jī)制不敏感，因此不會(huì)被miR156所抑制，從而出現(xiàn)早花表現(xiàn)型[2，13-14]。另外， SPL9和SPL15共同誘導(dǎo)miR172的表達(dá)[15-16]，從而間接促進(jìn)開(kāi)花。

miR156在早期幼苗中的表達(dá)量最高，隨植物生長(zhǎng)其表達(dá)量逐漸降低，SPL表達(dá)量上升。將花椰菜花葉病毒35S 啟動(dòng)子基因?qū)霐M南芥中，轉(zhuǎn)基因株系miR156過(guò)表達(dá)，出現(xiàn)晚花表型[2]。然而，應(yīng)用靶基因模擬法隔絕有效miR156的活動(dòng)，卻引起早花突變[14]。這表明，早期幼苗中高水平的miR156抑制成花，以保證幼年期必要的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)[2]，隨植物年齡增長(zhǎng)其表達(dá)量逐漸下降，解除對(duì)成花的抑制。

然而，參與調(diào)控miR156水平的上游因子目前大部分還不為所知。對(duì)春化途徑、光周期途徑和赤霉素途徑的遺傳研究發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)miR156的表達(dá)水平?jīng)]有或只有很小影響。最近研究發(fā)現(xiàn)，植物的營(yíng)養(yǎng)狀況與miR156的水平有密切聯(lián)系，隨植物的生長(zhǎng)遞增的養(yǎng)分含量作為代理信號(hào)，直接調(diào)控miR156的水平[16-18]。從幼年期到成時(shí)期，糖類隨植物光合能力增強(qiáng)而積累，其積累會(huì)降低miR156的表達(dá)，反過(guò)來(lái)糖類的脫除導(dǎo)致miR156表達(dá)量的上升，進(jìn)而降低SPL水平。

1.2 miR172家族在花期調(diào)控中的作用

miR172 家族，在 miR156 家族的下游參與植物的花期調(diào)控，與 miR156 家族的作用相反[17]。miR156的靶基因SPL9和SPL10上調(diào)miR172b的表達(dá)。WU等[14]通過(guò)染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)以及構(gòu)建SPL9過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因株系中miR172表達(dá)量上升，驗(yàn)證了此觀點(diǎn)[16]。早期幼苗中，miR172受miR156的間接調(diào)控表達(dá)水平較低[16]。隨植物生長(zhǎng)，miR172的表達(dá)增強(qiáng)，伴隨著AP2和TOE基因活性降低，從而減輕對(duì)開(kāi)花的抑制[19-20]。

擬南芥中，miR172調(diào)控6個(gè)具有miR172結(jié)合位點(diǎn)的AP2成花抑制因子基因AP2、TOE1、TOE2、TOE3、SMZ和SNZ[3，20-21]。AP2家族基因表現(xiàn)高度功能冗余，其中任何一個(gè)基因組成型表達(dá)都會(huì)出現(xiàn)晚花表型，而miR172過(guò)表達(dá)或TOE1基因功能缺失突變體均呈現(xiàn)早花表現(xiàn)型[22-23]。由此可知，miR172的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致AP2型蛋白水平降低。AP2的活動(dòng)反過(guò)來(lái)對(duì)miR156和miR172分別具有上調(diào)和下調(diào)作用[2，24]。它們之間互相作用，形成一個(gè)反饋圈，調(diào)控植物的生殖生長(zhǎng)[17]。miR172的過(guò)表達(dá)還會(huì)引起FT基因以及花分生組織特征決定基因LFY和AP1表達(dá)上升。相反，研究證明SMZ和TOE1基因降低FT基因的表達(dá)量[17，25-26]。

miR172不僅由SPL基因調(diào)控，光周期和環(huán)境溫度途徑同樣對(duì)其具有一定的調(diào)控作用[21，27]。因此它可以作為這些開(kāi)花途徑的中心整合器。光周期途徑和生物鐘基因GI與CO共同上調(diào)miR172的表達(dá)[3]。在gi突變體中，成熟miR172水平下降，然而其初級(jí)轉(zhuǎn)錄物的水平實(shí)際有所上升，表明GI影響miR172的加工[3]。在環(huán)境溫度途徑中，低溫條件下高水平的開(kāi)花抑制因子SVP和RNA結(jié)合蛋白FCA抑制miR172的表達(dá)[17，27]。

1.3miR159家族和miR319 家族在花芽分化中的作用

miR159與miR319序列高度相似，靶基因分別是MYB和TCP轉(zhuǎn)錄因子，兩者具有一定的功能冗余[28]。

miR159 家族在花期調(diào)控中的作用一直存在爭(zhēng)議[29-30]。擬南芥中，GA通過(guò)提高miR159 的表達(dá)水平，高水平的miR159促進(jìn)GAMYB轉(zhuǎn)錄因子，從而誘導(dǎo)LFY基因的轉(zhuǎn)錄，啟動(dòng)開(kāi)花[31]。與此相矛盾的是，其中一個(gè)GAMYB轉(zhuǎn)錄因子MYB33可能具有反饋調(diào)節(jié) miR159表達(dá)的功能，因此推測(cè)，miR159可能作為GAMYB轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的自我平衡調(diào)控因子[3]。

miR319家族作用于TCP基因[30，32]。研究者首次在jaw-D突變體的微陣列試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了TCP的作用以及miR319對(duì)它的調(diào)控作用。TCP轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物生長(zhǎng)的多個(gè)方面都有影響，其中包括花、葉片和配子體的發(fā)育。此外，TCP轉(zhuǎn)錄因子也是植物生物鐘的主要調(diào)控因子，與生物鐘的的核心組件相互作用，miR319過(guò)表達(dá)的擬南芥突變體在長(zhǎng)日照條件下顯示遲花表現(xiàn)型，因此miR319通過(guò)作用于植物開(kāi)花的光周期途徑，進(jìn)而調(diào)控植物的花芽分化[33]。

1.4miR390家族在花期調(diào)控中的作用

miR390 家族在植物發(fā)育的多個(gè)時(shí)期都起一定作用，包括葉片的形態(tài)發(fā)生、側(cè)根的生長(zhǎng)以及間接調(diào)控花期[30]。miR390不同于其他miRNA，它主要通過(guò)激活另一種小RNA——tasiRNA的表達(dá)，而間接作用于ARF3和ARF4轉(zhuǎn)錄因子[34]。ARF3和ARF4的活動(dòng)促進(jìn)幼年期到成年期的轉(zhuǎn)變，miR390通過(guò)抑制ARF3和ARF4轉(zhuǎn)錄因子來(lái)延長(zhǎng)幼年期，從而推遲開(kāi)花[30，33]。因此認(rèn)為，miR390能夠抑制植物花芽分化。擬南芥的RNA聚合酶基因、DCL4基因和AGO7基因的功能缺失突變體中，miR390不能正常合成，都表現(xiàn)提前進(jìn)入成年期，并產(chǎn)生成年態(tài)葉片，這一結(jié)果論證了上述觀點(diǎn)[30，35]。

1.5miR399家族在花期調(diào)控中的作用

miR399是典型的既參與非生物逆境脅迫又參與花期調(diào)控的miRNA[36]。最新研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度影響miR399的積累，生長(zhǎng)于較高溫度環(huán)境下植物體內(nèi)miR399的含量更加豐富[28]。KIM等[37]發(fā)現(xiàn)，miR399過(guò)表達(dá)的突變體植株，若生長(zhǎng)于環(huán)境溫度23 ℃的長(zhǎng)日照條件下能夠較早開(kāi)花，若生長(zhǎng)于溫度較低（16 ℃）的環(huán)境下則不會(huì)提前開(kāi)花，推測(cè)miR399可能在開(kāi)花的環(huán)境溫度控制途徑中起作用。

2miRNA在果樹(shù)花芽分化中的研究前景

目前對(duì)植物 miRNA 的研究集中于一些模式植物或重要大田作物。相比其他物種，果樹(shù) miRNA研究剛剛起步，且已有研究主要集中在 miRNA檢測(cè)與功能注釋[38]，對(duì)果樹(shù)各項(xiàng)生理代謝過(guò)程和花芽分化相關(guān)miRNA的研究更是鮮有報(bào)道。擬南芥等模式植物不同于果樹(shù)，作為多年生木本植物，果樹(shù)的花芽分化機(jī)理必定更加復(fù)雜，果樹(shù)在開(kāi)花結(jié)果之前，先經(jīng)過(guò)一定年限的童期，而不同物種童期長(zhǎng)短不同，其內(nèi)在成花的調(diào)控機(jī)理也必定更加精妙，要想闡明果樹(shù)花芽分化的機(jī)理，就須對(duì)不同果樹(shù)的miRNA進(jìn)行更多研究。迄今，關(guān)于利用果樹(shù)進(jìn)行廣泛預(yù)測(cè) miRNAs 的研究主要局限于葡萄、草莓和柑橘等幾種果樹(shù)。2009年，宋長(zhǎng)年等[39]利用ESTs序列的研究方法從 GenBank 上下載蘋(píng)果、柑橘、葡萄、香蕉、獼猴桃、桃、杏等 32 種果樹(shù) 774 400 條 ESTs，采用基于生物信息學(xué)同源搜索來(lái)尋找果樹(shù)同源 miRNA，將這些miRNA的靶基因按功能大體分為4類，但并未按照植物不同的發(fā)育時(shí)期對(duì)miRNA的功能進(jìn)行具體分析。盡管如此，這項(xiàng)研究對(duì)于深入研究 miRNA 在果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育中的作用仍具有一定的意義。

3展望

近年來(lái)，植物花芽分化以及花發(fā)育相關(guān)miRNA的研究越來(lái)越受到重視，對(duì) miR156 和 miR172 2個(gè)基因家族有了較深入的研究，甚至對(duì)它們本身的表達(dá)調(diào)控也進(jìn)行了研究。但對(duì)miR159、miR319、miR390 和 miR399 等幾個(gè)家族的功能和表達(dá)調(diào)控尚待更進(jìn)一步的研究。并且預(yù)測(cè)這幾個(gè)家族之間也可能存在一定的聯(lián)系，有待深入探索。隨著 miRNA 表達(dá)水平檢測(cè)技術(shù)的不斷完善，尤其是更加靈敏和更加有效的miRNA表達(dá)譜差異分析技術(shù)的發(fā)展，將為闡明 miRNA對(duì)果樹(shù)重要生理代謝過(guò)程包括花芽分化的調(diào)控機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

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