miRNA对植物开花时间及花器官发育的作用,发育生物学论文

miRNA对植物开花时间及花器官发育的作用,发育生物学论文花是植物最重要的经济器官，花期、花型及花序的分枝等重要性状都是花发育的外在表现.花发育的研究也是分子生物学和发育生物学研究中最活泼踊跃的领域。植物生理学的研究表示清楚，成年植物经过一定的营养生长阶段，便由营养型分生组织进入感受态.此时如遇适宜的外界因子，如光周期、光质、低温春化等，营养型分生组织即转化为花序型分生组织，即成花诱导.植物花的发育受环境因子的影响，但从本源来讲是环境因子影响这基因调控。随着生物技术不断发展的今天，科学家们开场从表型背后去挖掘潜在的功能基因，并对一大批植物进行分子层面的研究.当前，拟南芥〔Arabidopsisthaliana〕、水稻〔OryzasativaL.〕、杨树〔Populustrichocarpa〕、葡萄〔Vitisvinifera〕、番木瓜〔Caricapapaya〕、苹果〔Malusdomestica〕等基因组测序完成，为后续的分子研究奠定了基石.miRNA最早在线虫〔Caenorhabditiselegans〕中的Lin-4和Let-7中发现〔Leeetal.,1993;Reinhartetal.,2002〕，随后在人、鼠、线虫中发现了近百种miRNA〔Lauetal.,2001;Lagos-Quintanaetal.,2001〕，并于2002年初次在形式植物拟南芥〔Arabidopsisthaliana〕中发现〔Reinhartetal.,2002〕。形式植物拟南芥上miRNAs的发现，开启了植物miRNAs研究的新纪元.植物miRNAs基于与靶基因的完全匹配或近似完全匹配以切割靶基因的方式在转录后水平调控靶基因的表示出〔Reinhartetal.,2002〕。固然植物中miR-NA的发现较动物中miRNA的发现晚10年，但随着鉴定方式方法的不断发展，关于miRNA的报道越来越多，miRNA的作用也越来越遭到重视。植物体中miRNA可介入植物整个生命进程，包括生长发育、器官构成、新陈代谢、细胞增殖和凋亡、逆境胁迫、信号转导以及本身的反应调节等复杂的生理经过.在秀丽线虫中，miRNA初次被确认有调控其从幼年到成年过渡的功能，随后在植物miRNA中这种调控功能也被证实〔Reinhartetal.,2000;Linetal.,2003〕。随着研究不断的深切进入，发现miRNA在植物开花时间的调控及花器官发育上起着不可替代的作用.1miRNA与植物花期植物花期由内因与外因所构成的复杂调控网络控制，内因与外因的穿插结合，控制了顶端分生组织中成花基因的表示出〔SrikanthandSchmid,2018;Yam-aguchiandAbe,2020〕。CO〔CONSTANS〕是最早分离克隆的开花调节基因之一，CO表示出与花期直接相关.GI〔GIGANTEA〕是生物钟和光周期的组成因子，连同FKF1〔FLAVINBINDING,KELCHREPEATF-BOX1〕去调控CO基因的表示出〔Sawaetal.,2007;Jackson,2018〕。CO基因反过来激活花分生组织辨别基因，这些基因包括LFY〔LEAFY〕、AP1〔APETALA1〕、FUL〔FRUITFUL〕等基因〔Zhouetal.,2020〕。同时，在光周期诱导条件下，CO基因调控FT〔FLOWERINGLOCUSTFT〕基因的表示出，FT基因作为信号因子到达茎顶端分生组织处，并与开花位点的转录因子作用去激活其他的开花因子〔Amasino,2018;Matsoukasetal.,2020〕。当这些基因的表示出到达一定的阈值，花器官基因开场表示出，花器官构成〔HuijserandSchmid,2018〕。在这样复杂的基因调控网中，miRNA家族起着重要的调节作用.研究发现，在诸多miRNA家族中，miR156与miR172对花期的调控起着重要的作用，二者调控作用相反，保守性强，不仅在形式植物拟南芥中有发现，在山核桃〔CaryaCathayensis〕、梅花〔Prunusmume〕、臭橘〔TrifoliateOrange〕等木本植物中也有发现〔Wangetal.,2020;2020;Zhangetal.,2020〕。在形式植物拟南芥中，过表示出miR156和miR172发现，前者推延花期，而后者则提早花期〔AukermanandSakai,2003;WuandPoethig,2006〕。在拟南芥和臭橘的研究中发现，miR156表示出量从幼年到成年阶段不断减少，而miR172表示出增加〔Wuetal.,2018;Zhangetal.,2020;ZhuandHelliwell,2020〕。这种表示出形式控制着植物幼年到成年营养生长以及后续的生殖生长阶段〔HuijserandSchmid,2018;YamaguchiandAbe,2020〕。SPL〔SQUAMOSAPromoter-bindingprotein-like〕是在植物的生长发育经过中发挥重要调节作用的一类植物特有的转录因子，它介入植物生理生化经过〔Gouetal.,2018〕。研究发现，SPL在拟南芥生殖生长阶段的茎尖和花序中大量表示出，表示清楚SPL可能在植物的成花诱导中发挥重要调节作用〔Zimmermannetal.,2004;Shikataetal.,2018〕。拟南芥中miR156能抑制SPL3的表示出，导致早花型〔Guoetal.,2008;Wuetal.,2018;HuijserandSchmid,2018〕，SPL单缺陷材料无明显表型，表示清楚SPL蛋白存在功能冗余〔Yam-aguchiandAbe,2020〕。例如，拟南芥中SPL9和SPL15与开花调控有关，二者功能丢失的突变体表型与过表示出miR156突变体类似〔Guoetal.,2008〕；相反，过量表示出SPL9或SPL15的转基因株系较早开花，叶片呈现老化〔Wuetal.,2018;HuijserandSchmid,2018〕。在拟南芥中发现，miR156-SPL3位点受环境温度调节来影响开花，进而诱导FT基因表示出〔Kimetal.,2020〕，环境温度影响miR156表示出，在较低〔16℃VS23℃〕的外界环境温度下miRNA被发现有较高的表示出水平〔Leeetal.,2018;ZhuandHelliwell,2018〕；同时还发现，植物的营养状况与miR156表示出水平有关，营养物质充当了信号作用〔Wahletal.,2020;Yangetal.,2020〕。植株从幼年到成年阶段，随着光合能力的增加，糖类物质也在增加，而糖类物质的积累使得miR156的表示出减少，糖类物质的减少则导致miR156表示出增加，继而导致SPL表示出减少〔Yangetal.,2020〕。miR172是另一个当前研究较深切进入的调控花期的miRNA.研究发现miR172是miR156下游基因，在花期调控上的作用与miR156相反，miRNA172抑制AP2基因表示出，进而减轻对花的抑制〔ZhuandHelliwell,2018〕。拟南芥中，AP2包含6个基因分别是AP2、TOE1〔TARGETOFEAT1〕、TOE2、TOE3、SHLAF-MUTZE〔SMZ〕和SCHNARCHZAPFEN〔SNZ〕〔Auk-ermanandSakai,2003;YamaguchiandAbe,2020〕，拟南芥中AP2型蛋白在种子时含量最高，随着植株的生长，miR172增加AP2型蛋白减少，花的抑制也因而得到减轻〔ZhuandHelliwell,2018〕。拟南芥中过表示出miR172,无论在长日照还是在短日照均产生了早花表型〔AukermanandSakai,2003;ZhuandHelliwell,2018〕；miR172过表示出正调节FT基因和花分生组织基因LFY和AP1〔ZhuandHelliwell,2018〕；过表示出AP2型基因如SMZ和SNZ,导致晚花表型〔Yam-aguchiandAbe,2020〕；miR172不仅受SPL基因调节，同时也遭到光周期和外界温度影响〔Aoetal.,2020;YamaguchiandAbe,2020〕。miR159、miR319与花期的调控有一定的关系，但对其调控花期的研究不像miR156和miR172那样清楚明晰〔Amasino,2018〕。在文冠果〔Xanthocerassorbifolia〕、苹果〔Malusdomestica〕、金丝桃〔H.monogynumL.〕等木本植物研究中对miR159与miR319均有发现〔Aoetal.,2020;Xiaetal.,2020;Gallaetal.,2020〕，讲明二者相对较为保守.miR159和miR319相关的靶基因分别为MYB和TCP转录因子。miR159-MYB在GA途径上起到调节作用，研究发现，在拟南芥中，非诱导条件下可促进开花〔TerziandSimpson2008;Yam-aguchiandAbe,2020〕；利用GA处理，DELLA降解导致miR159增加〔Jinetal.,2020〕；miR159在GA诱导MYB33、MYB65和MYB101途径中，起到了调节作用，过表示出miR159a延迟开花，MYB33和LFY转录水平也随之降低.拟南芥中miR319的靶基因分别是TCP2、TCP3、TCP4、TCP10和TCP24〔Rubio-SomozaandWeigel,2018;Endoetal.,2020〕。miR319-TCP交互作用与其他的miRNA作用方式存在差异不同，二者碱基配对出现6个错配〔Schommeretal.,2020〕，而在大多数植物中miRNA与靶mRNA错配不超过4个。在拟南芥研究中，长日照条件下，过表示出miR319延迟开花〔Jones-Rhoadesetal.,2006;TerziandSimpson,2008〕，其靶基因TCP4功能的丢失与其出现了一样的表型〔SarvepalliandNath,2018;Schommeretal.,2020〕。miR159与miR319在碱基序列上存在很大的类似性，但这两个miRNA不能穿插调节TCP和MYB,表示清楚miR159和miR319在植物发育中起着重要调节作用〔Jones-Rhoadesetal.,2006;Palatniketal.,2007〕。miR390和miR399对花期上的调控作用没有那么直接.拟南芥中miR390通过间接抑制ARF3〔AuxinResponseFactor3〕和ARF4转录因子〔Endoetal.,2020;Rubio-SomozaandWeigel,2018〕。ARF3和ARF4对幼年期到成年营养阶段的转变有促进作用，miR390通过延长幼年阶段来延迟开花〔Rubio-So-mozaandWeigel,2018〕，ARF3/4的增加诱导SPL3/4表示出，加速幼年到成年营养生长阶段〔Rubio-SomozaandWeigel,2018〕；环境温度能够调节miR399,miR399调控模型为miR399-PH02-IPS1,过表示出miR399或PH02功能丢失，长日照条件下生长在正常的环境温度〔23℃〕下较早开花，而在低温下花期没有变化，表示清楚miR399调控与环境温度有关〔Kimetal.,2018〕。2miRNA与植物的花器官植物完全花自外向内由4轮器官组成，分别为花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊.Coen和Meyerowitz〔1991〕在研究拟南芥和金鱼草〔Antirrhinummajus〕时提出了花发育的ABC模型，以为决定花器官发育的基因分为A、B、C三类，三类基因相互协作共同调控花器官的发育.通过对拟南芥研究发现，miRNA对植物的花型起到重要的调节作用.miR164家族〔miR164a,miR164b,miR164c〕靶基由于NAC〔CUP-SHAPEDCOTYLE-DON1〔CUC1〕与CUC2〕转录因子。miR-NA164家族被预测负调控CUC1、CUC2和NAC家族的另外4个基因〔Eriketal.,1996〕，调控植物花瓣，雌、雄蕊间的转化。CUC1和CUC2是两个器官原基构成所必须的基因，与器官构成的调节有关，在CUC1和CUC2双突变体中，出现了器官融合、雌蕊和雄蕊的减少或丢失的表型〔Mitsuhiroetal.,1997〕。在文冠果的研究中发现，miR164使分生组织保持和花器官分离〔Aoetal.,2020〕，在梅花、文冠果中miR164起到负调节作用，在花芽发育阶段与雄蕊的发育有关〔Aoetal.,2020;Wangetal.,2020〕。在拟南芥的突变体eep1中，主要表型是早花中花瓣数目增加〔Bakeretal.,2005〕，靶基因CUC1和CUC2转录本表示出增加〔Bakeretal.,2005〕，在转基因株系中从它的内源启动子中表示出CUC1的miR164抑制因子构造，导致了花瓣数目的减少〔Bakeretal.,2005〕。在文冠果的野生型与突变体研究发现，miR164在野生型积累量较同一时期的突变体高〔Aoetal.,2020〕，由此可知，eep1重瓣型产生的分子基础是CUC1和CUC2mRNA的增加〔Bakeretal.,2005〕。在花芽中miR164c表示出分析表示清楚，miR164c表示出强烈，CUC1/2转录子也有积累，表示清楚通过完全消除CUC1/2mRNA,miR164c也许不能调节花瓣数目〔Bakeretal.,2005〕，所以调节好miR164与其靶基因间的关系是使植物花型完好的关键。miR163家族与SUPERMAN转录因子有关，此基因在拟南芥中控制花器官的形态建成，尤其是调控雄蕊和心皮边界的发育，这个基因在花发育的早期表示出，同时此基因与花发育的ABC模型中的其它基因互作.金丝桃中miR414在花发育经过中存在大量转录本，预测其对花发育的调控有重要作用〔Gallaetal.,2020〕。miR172与miR156对花期的调控作用非常明显，二者对花型的调控也有一定的作用。miR172在花发育的早期起到关键作用，miRNA172抑制AP2表示出，使花瓣数目减少。猕猴桃〔A.chinensisPlanch〕研究中，AP2基因在花瓣组织中高度表示出，在突变体多重花被中积累量增加，表示清楚AP2介入花被的调控〔Varkonyi-Gasicetal.,2020〕。在野生型猕猴桃花中，上表皮、雄蕊的维管构造、心皮的维管薄壁组织中均发现miR172,所以猕猴桃花被中miR172的积累可能是由维管组织中miR172运动引起的〔Varkonyi-Ga-sicetal.,2020〕。在猕猴桃突变体花中miR172减少，可能是花器官中局部下调的结果，可以能是miR172分布的调节错误造成的，同时也不排除维管组织发育被扰乱引起的〔Varkonyi-Gasicetal.,2020〕，而后者可能是其根本的影响因素.拟南芥中过量表示出miR172可使花瓣数目减少，萼片转为心皮，用强启动子过表示出抗miR172的靶基因AP2,导致花器官的同源转换〔Chen,2004〕；过量表示出miR172能够引起AP2蛋白水平的降低，同时也会产生异常花的表型〔AukermanandSakai,2003;Chen,2004〕。拟南芥中SPL表示出量减少，顶端优势降低，花序长变短，增加花序分支增加，花序的形态建成也因而遭到干扰〔Schwabetal.,2005;Shikataetal.,2018〕，SPL基因对花青素合成代谢经过中起负调控作用，增加miR156活性会促进拟南芥花青素的积累〔Gouetal.,2018〕。在拟南芥研究中发现miR166/165靶基因有5个，分别为REVOLUTA〔REV〕、PHABVLOSA〔PHB〕、PHAVO-LVTA〔PHV〕、CORONA〔CNA〕/ATHB15和ATHB8,miRNA通过降解靶基因起到调控作用〔Williamsetal.,2005;Byrne,2006〕。在山核桃研究中发现miR166表示出最丰富，且很保守〔Wangetal.,2020〕。拟南芥中miR165家族有2个成员，miR166家族有7个成员，成熟的miR165与miR166序列仅有1个核苷酸的差异不同〔Reinhartetal.,2002〕，尽管仅有1个核苷酸的差异不同，但二者均对所有的5个靶基因起作用〔Tangetal.,2003〕。如在拟南芥突变体men1和jba-1D中miR166a和miR166g被激活，靶基因PHB、PHV和ATHB15/CNA转录水平显着减少，REV和ATHB8变化不明显〔Kimetal.,2005〕；在men1和jba-1D突变体中，出现了一系列不同的表型变化，包括花