miR172調(diào)控植物生長發(fā)育及逆境脅迫的研究進(jìn)展

王 晨，張居萍，丁 晗

（1浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，杭州 311300；2浙江農(nóng)林大學(xué)園藝科學(xué)學(xué)院，杭州 311300；3浙江農(nóng)林大學(xué)茶學(xué)與茶文化學(xué)院，杭州 311300）

0 引言

植物microRNA(miRNA)是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的長20～24個核苷酸的內(nèi)源性非編碼單鏈小分子RNA[1]，通過與下游靶基因互補(bǔ)配對來降解mRNA或抑制其翻譯過程來調(diào)控植物生長發(fā)育和抵御逆境的能力[2]。線蟲lin-4是首個被確認(rèn)的miRNA，其調(diào)控線蟲幼蟲向成蟲的轉(zhuǎn)變[3]。隨后，從擬南芥(Arabidopsis thaliana)中鑒定出16種植物miRNA，分別是miR156-miR171[4]。接著擬南芥8個新的miRNA被發(fā)現(xiàn)，分別命名為miR172-miR179[5]。到目前為止，已鑒定38589個前體和48860個miRNA成熟體[6]。

在諸多miRNA中，miR172是非常重要并被廣泛關(guān)注的一個。已知在擬南芥中miR172的前體由MIR172A-MIR172E 5個基因編碼。miR172通過翻譯抑制和轉(zhuǎn)錄后剪切調(diào)控靶基因，其靶基因有6個，分別為 APETALA2(AP2)、 SCHNARCHZAPFEN (SNZ)、SCHLAFMüTZE(SMZ)、TARGET OF EAT1(TOE1)、TOE2、TOE3，它們都是AP2轉(zhuǎn)錄因子家族成員，該家族成員均具有至少一個AP2結(jié)構(gòu)域[7-9]。miR172在開花植物中高度保守，對植物生長發(fā)育、花器官發(fā)育及抵抗逆境脅迫等方面具有重要調(diào)控作用[10]。

一直以來，人們從經(jīng)典遺傳學(xué)、形態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)等方面對miR172介導(dǎo)植物生長發(fā)育進(jìn)行深入研究，而基因組學(xué)、小分子RNA和表觀遺傳學(xué)等領(lǐng)域不斷發(fā)展，為研究miR172及其靶基因?qū)χ参锷L發(fā)育及逆境脅迫調(diào)控模式和機(jī)制提供了新的視角，并據(jù)此得出許多研究成果。本研究綜述了miR172及其靶基因調(diào)控植物營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變、成花誘導(dǎo)、花器官發(fā)育及抗逆脅迫等方面的最新進(jìn)展，并描繪了基本的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為今后深入研究miR172對不同植物生長發(fā)育進(jìn)程調(diào)控提供參考。

1 miR172 調(diào)控植物營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變

綠色植物種子萌發(fā)后，其根、莖、葉等營養(yǎng)器官的生長叫做營養(yǎng)生長[11]。營養(yǎng)生長階段分為幼年期和成年期兩個時期，當(dāng)營養(yǎng)器官生長到一定時期后，就開始形成花芽，進(jìn)入生殖生長階段[12-13]。植物從幼年期向成年期過渡的過程叫做營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變(vegetative phase change,VPC)[14]。研究表明，營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變過程受各種基因表達(dá)的調(diào)控[15]，其中影響該過程的主要分子調(diào)控機(jī)制是miR156-SPL[16-17]，miR156通過靶基因SPL9調(diào)控miR172表達(dá)[10,13,16]，miR156積累使植株幼年期延長，而miR172轉(zhuǎn)錄本積累加速植株向成年階段轉(zhuǎn)變（圖1）。

圖1 miR172調(diào)控植物生長發(fā)育網(wǎng)絡(luò)

隨著植株年齡增長，miR172表達(dá)量呈現(xiàn)上調(diào)趨勢。當(dāng)雙子葉植物擬南芥中miR172過表達(dá)時，葉片遠(yuǎn)軸面會提早出現(xiàn)表皮毛，促進(jìn)擬南芥從幼年期向成年期轉(zhuǎn)變[16,18-22]。同時，擬南芥下表皮毛年齡依賴型發(fā)生的分子機(jī)制也得到揭示，即miR172靶基因TOE1可通過抑制表皮毛發(fā)生關(guān)鍵調(diào)控基因GL1來實(shí)現(xiàn)年齡依賴型下表皮毛調(diào)控模式[23]。大豆(Glycine max)過表達(dá)miR172c轉(zhuǎn)基因株系主莖茸毛顏色提早變?yōu)樽厣?，表明前體基因miR172c對大豆?fàn)I養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變過程十分重要[24]。單子葉植物玉米(Zea mays L.)中miR172則在芽中高積累，并介導(dǎo)其靶基因glossy15(GL15)降解，通過負(fù)調(diào)控GL15活性，調(diào)控玉米營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變過程[25-26]。這種miR172幼年期表達(dá)量低成年期表達(dá)量高且過表達(dá)miR172會促進(jìn)營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變的模式同樣出現(xiàn)在麻風(fēng)樹(Jatropha curcas)[27]，加楊(Populus×canadensis)[28]，桉 樹 (Eucalyptus grandis)[29]，高 粱(Sorghum bicolor)[30]和西番蓮(Passiflora edulis)[31]中。

營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變對于調(diào)控植物開花結(jié)果有重要作用，且植物只有經(jīng)過這一階段，才能順利進(jìn)入生殖生長期，完成正常開花、結(jié)果的過程。綜合分析，miR172促進(jìn)營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變過程在植物中保守存在，這為研究miR172在其他植物中的功能提供了方向，有利于通過分子手段對幼年期較長的花果型商品植物進(jìn)行營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)變調(diào)控，從而縮短營養(yǎng)生長階段、使之提前進(jìn)入生殖期，從而提高花果型商品植物生產(chǎn)效率。

2 miR172 調(diào)控植物開花

miRNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制在開花時間控制中起關(guān)鍵作用，Jung等[20]證明GIGANTEA(GI)通過調(diào)控miR172表達(dá)量來調(diào)節(jié)FLOWERING LOCUS T(FT)影響擬南芥開花。Lee等[32]在單子葉植物水稻(Oryza sativa)中發(fā)現(xiàn)miR172通過抑制靶基因AP2家族因子OsIDS1和SUPERNUMERARY BRACT(SNB)促進(jìn)水稻開花。miR172-AP2的調(diào)控成花的機(jī)制除在擬南芥和水稻中存在外，在觀賞植物蝴蝶蘭(Phalaenopsis hybrid)[33]、金縷梅(Sinningia speciosa)[34]、牽?；?Ipomoea nil)[35]以及蕓薹屬植物油菜(Brassica napus)[36]中也得到驗(yàn)證。

開花機(jī)制也受環(huán)境溫度及光周期變化影響。在擬南芥中過表達(dá)miR172后抑制其靶基因AP2，從而抑制開花阻遏因子AGAMOUS-LIKE15(AGL15)的表達(dá)，使過表達(dá)株系表現(xiàn)出低溫敏的早花表型[17,21]。此外，熱感通路關(guān)鍵因子short vegetative phase(SVP)可以通過調(diào)控miR172來調(diào)節(jié)擬南芥開花對溫度的敏感程度[37]。多年生植物開花之前必須經(jīng)過足夠時間的春化作用，在彎曲碎米薺(Cardamine flexuosa)[38]和高山南芥(Arabis alpine)[39]中發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)miR156和miR172的水平，來調(diào)控其對春化反應(yīng)的敏感性。

成花是植物正常生長發(fā)育不可缺少的階段，合理利用miR172有利于調(diào)節(jié)植物營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系，從而達(dá)到加速良種繁育、合理調(diào)控觀賞植物花期的目的。

3 miR172 調(diào)控植物花器官發(fā)育

花器官的發(fā)育遵循ABCDE模型，根據(jù)ABCDE模型可知，植物的花由外到內(nèi)依次是萼片、花瓣、雄蕊、心皮[40-41]。miR172過表達(dá)對番茄(Solanum lycopersicum)的花器官發(fā)育產(chǎn)生影響，如萼片增大、花瓣變窄和萼片向花瓣轉(zhuǎn)化等[42]。同時miR172也可以通過抑制編碼AP2類轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)節(jié)植物花型。在擬南芥、煙草(Nicotiana benthamiana)和野生型蘭花(Cymbidium ensifolium)中，由于AP2基因過表達(dá)，導(dǎo)致ABCDE花發(fā)育模型被破壞，花瓣、雄蕊和心皮大量增殖[43-45]。除此之外，雙花葉玫瑰中AP2類轉(zhuǎn)錄因子RcAP2L會調(diào)節(jié)RcAGAMOUS表達(dá)并且導(dǎo)致玫瑰產(chǎn)生更多的花瓣[46]，雙花性狀同樣出現(xiàn)在薔薇科桃樹(Prunus persica)中，擬南芥AP2類轉(zhuǎn)錄因子TOE同源基因Prupe.6G242400中miR172靶位點(diǎn)缺失也會導(dǎo)致雙花性狀的產(chǎn)生[47]，這為了解其他主要觀賞植物對雙花性狀遺傳調(diào)控提供了有利信息。

花器官同一性也是建立花形態(tài)和花序結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。在水稻中OsMADS1是miR172的上游調(diào)控因子，通過miR172-AP2路徑調(diào)控外稃和內(nèi)稃的伸長，參與了花器官的發(fā)育[48]。小麥(Triticum aestivum)miR172及其靶基因Q(AP2L5)水平的變化會影響穎片向外過渡的程度，而開花是由穎片膨大引起的，缺失Q(AP2L5)基因后在心皮和穎片中表現(xiàn)出穎片向心皮轉(zhuǎn)化的器官缺陷，表明miR172和AP2基因表達(dá)的平衡對于穗花正常發(fā)育至關(guān)重要[49]。大麥(Hordeum vulgare)中控制穎片發(fā)育的基因是AP2轉(zhuǎn)錄因子家族成員cleistogamy 1(CLY1)，miR172可以降低CLY1蛋白的豐度，使大麥花朵正常開放[50]。

花器官發(fā)育對提高植物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量及觀賞價值具有重要的作用。對于果實(shí)型作物來說，適當(dāng)提高雌花比例可提高作物產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟(jì)價值；對于觀賞植物來說，適當(dāng)調(diào)整雌雄花的比例可獲得更多具有更高觀賞價值的品種，提高物種多樣性。

4 miR172 與植物逆境脅迫

植物在生長發(fā)育的過程中會受到各種因素的影響，這些因素統(tǒng)稱為脅迫，包括生物脅迫和非生物脅迫，生物脅迫包括病蟲雜草等，非生物脅迫包括干旱、洪澇、低溫、高溫、鹽脅迫等。生物脅迫和非生物脅迫之間相互聯(lián)系，植物對不同的逆境存在相同的抵抗機(jī)制。

miR172可以對植物在發(fā)育過程中遭受的非生物脅迫作出反應(yīng)。當(dāng)擬南芥和馬鈴薯(Solanum tuberosum)受到干旱脅迫時，miR172過量表達(dá)，使植物抵抗干旱能力提高，改變生長發(fā)育進(jìn)程[51-52]。擬南芥中miR172b通過直接與FLAGEL IN-SENSING2(FLS2)啟動子結(jié)合并抑制其活性的靶標(biāo)EAT1(TOE1)和TOE2來調(diào)節(jié)免疫受體基因FLS2的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)在幼苗發(fā)育過程中FLS2介導(dǎo)的天然免疫作用[53]。當(dāng)芥菜(Brassica juncea)遭受鎘脅迫時，葉片及根中的miR172表達(dá)量也會顯著降低，從而調(diào)節(jié)鎘脅迫下芥藍(lán)的生長發(fā)育進(jìn)程[54]。

miR172不僅對植物抵御非生物脅迫具有重要作用，而且參與植物抵抗生物脅迫的過程。文心蘭(Oncidium hybridum)作為重要經(jīng)濟(jì)型觀賞植物，繁殖系數(shù)低且易受病菌侵害[55]，而文心蘭中miR172a不僅影響假鱗莖、葉的發(fā)育和形態(tài)建成，且能夠通過負(fù)調(diào)控候選靶標(biāo)基因來響應(yīng)軟腐病病原菌侵染文心蘭的過程[56]。番茄miR172a和miR172b過表達(dá)不僅可以有效提高番茄對病原菌抗性[57]，并且過表達(dá)植株對疫霉病[58]和灰霉病[59]的抗性也顯著提升，且感染卷葉病的番茄中miR172積累量顯著增加[60]，這為防治番茄病害提供了途徑。

已知miR172在幫助植物抵抗逆境方面發(fā)揮作用，這對了解植物抵抗逆境傷害的分子機(jī)制、通過轉(zhuǎn)基因提高植物的耐性從而保證植物的發(fā)育從而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有極其重要的意義。

5 miR172 調(diào)控作物農(nóng)藝性狀的形成

5.1 miR172抑制作物節(jié)間伸長

節(jié)間長短是決定作物稈長的重要農(nóng)藝性狀，與作物抗倒伏能力及其他生物性狀密切相關(guān)。在水稻中發(fā)現(xiàn)AP2類轉(zhuǎn)錄因子成員shortened uppermost internode 4(SUI4)基因突變即sui4突變體表現(xiàn)出節(jié)間縮短的性狀[61]，同時，SUI4作為SNB等位基因可與miR172相互作用調(diào)控水稻生殖期節(jié)間伸長程度[62]。在棉花(Gossypium hirsutum)所有保守的miRNA中，miR172等16個miRNA在矮桿突變體中上調(diào)，而在高稈突變體中下調(diào)[63]。miR172及其靶基因也影響大麥莖節(jié)間伸長，在大麥突變體Zeo1.b中，miR172介導(dǎo)靶基因AP2表達(dá)途徑被阻斷，導(dǎo)致有絲分裂活性降低，使得木質(zhì)化過早，從而表現(xiàn)矮桿特性[64]。

5.2 miR172調(diào)控作物穗型

小麥和水稻是世界上重要的糧食作物，在中國的糧食安全中發(fā)揮著重要作用。如何提高其產(chǎn)量是小麥和水稻研究與育種的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題。穗分枝等穗型性狀是決定單株產(chǎn)量的重要因素，也是良種選育的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀之一。

小麥染色體5A(5AQ)長臂上的Q基因來源于異源多倍體小麥自發(fā)突變，能夠編碼轉(zhuǎn)錄因子AP2家族，與軸長、穗型、單粒重及穗緊實(shí)度等特性密切相關(guān)[65-68]。miR172功能抑制后小麥穗型比野生型更緊湊[69]，暗示了在小麥馴化過程中，在Q基因的miR172結(jié)合位點(diǎn)上變化有可能形成更緊湊的穗。之后Liu等也發(fā)現(xiàn)小麥中過表達(dá)tae-miR172能夠產(chǎn)生一種類似穗的表型，且過表達(dá)株系中Q轉(zhuǎn)錄水平顯著降低[70]。另外，miR172也可以直接通過AP2來調(diào)節(jié)水稻小穗轉(zhuǎn)變[71]，這對理解其他谷物的穗型調(diào)控中具有重要的意義。

5.3 miR172調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育及豆科植物根瘤形成

Lakhotia等[72]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯miRNA具有組織和發(fā)育階段特異性表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)在這一群體中存在著廣泛且復(fù)雜的miRNA群體參與多種生物過程，包括調(diào)控塊莖發(fā)育等重要發(fā)育過程。短日照植物馬鈴薯塊莖形成受光周期調(diào)控，馬鈴薯內(nèi)miR172的水平受短日照誘導(dǎo)提高但卻不受長日照誘導(dǎo)，miR172過表達(dá)會促使馬鈴薯提前開花，且在適度光周期誘導(dǎo)下可以加速塊莖化，促進(jìn)塊莖形成[73]。之后Bhogale等[74]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯中SPL9過表達(dá)株系在短日照下miR172水平升高，表明miR172通過miR156-SPL9模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，且miR156作為韌皮部移動信號，調(diào)節(jié)馬鈴薯塊莖發(fā)育。

豆類與根瘤菌相互作用形成固氮根瘤。大豆miR172c通過抑制其靶基因Nodule Number Control1(NNC1)來調(diào)節(jié)根瘤的形成[75]。除此之外，miR172過表達(dá)會使大豆[76]和百脈根(Lotus japonicus)[77]根系生長狀況改善，根瘤菌感染增加，根瘤基因早期表達(dá)增加，且根瘤固氮作用增強(qiáng)，還會對大豆固氮酶活性和根瘤血紅蛋白的積累有直接或間接影響[78]。這不僅對于調(diào)節(jié)大豆根瘤水平至關(guān)重要，而且也揭示了一個復(fù)雜調(diào)節(jié)通路，對進(jìn)一步研究miR172在大豆根瘤形成的調(diào)控機(jī)制提供了依據(jù)。

表1 不同物種miR172及其靶基因功能分類表

續(xù)表1

6 展望

miR172在植物營養(yǎng)階段轉(zhuǎn)變、成花、花器官發(fā)育、抗逆性及其他方面都發(fā)揮著重要作用，是調(diào)控植株正常生長的重要miRNA之一。研究miR172調(diào)控植物生長發(fā)育及逆境脅迫的機(jī)制，對調(diào)控植物營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)化、花期及雌雄花比例具有深刻的指導(dǎo)意義。同時，研究miR172對作物節(jié)間長度、穗形及豆科植物根瘤菌形成等方面的研究可以幫助我們篩選良種，在節(jié)省人力物力財力的同時提高作物產(chǎn)量。

雖然對miR172在上述過程中的調(diào)控作用有了一定的認(rèn)識，國內(nèi)外對miR172也有較多報道，但是到目前為止，對miR172的研究還存在以下問題：（1）植物miR172的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制研究及功能解析還不夠深入和準(zhǔn)確，僅依據(jù)模式植物擬南芥的進(jìn)展在其他物種中展開，或針對miR172成熟體以及前體，并且僅在轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行研究。（2）miR172靶基因AP2轉(zhuǎn)錄因子家族成員眾多且各個成員之間在功能方面存在冗余，增加了研究miR172研究難度。

因此，在未來一段時間內(nèi)對miR172的研究還需在以下幾方面加強(qiáng)：（1）通過不斷更新的測序技術(shù)，可以更加精準(zhǔn)的測通不同物種中miR172的序列。（2）應(yīng)用生物信息學(xué)的分析技術(shù)，進(jìn)一步明確miR172的進(jìn)化歷程。（3）應(yīng)用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，進(jìn)一步挖掘miR172的未知功能，使我們通過miR172的功能更加深入地解決其他生物學(xué)問題。（4）利用分子標(biāo)記輔助育種等育種技術(shù)，為未來改良作物的重要經(jīng)濟(jì)性狀及其他特殊農(nóng)藝性狀提供理論依據(jù)。