microRNAs 在植物逆境响应中的作用

/microＲＮAs在响应植物逆境中的作用RamanjuluSｕnkar，Yｏnｇ-FangLｉanｄGuｒuJagadｅｅsｗａｒanDepartmentofBioｃhｅｍｉstｒｙanｄＭｏleculaｒＢｉoloｇy,OklaｈｏmａStatｅUｎiｖｅrsｉty,Ｓtｉｌlwater作为基因调节分子ｍｉcroＲNA的发现，导致了人们对植物和动物转录后基因表达调控认识的转变。miRNA已成为植物生长发育的主要调节分子miR３98的靶基因在抗逆性方面起一定的作用,这一发现表明ｍicｒｏRNＡ在植物逆境响应方面有一定的作用.

此外，和植物的生长和发育相关的大多数miＲNA表达谱在逆境中显著改变。这些最新的研究结果意味着,减轻在胁迫下植物的生长发育损伤可能收到miRNA的控制。这里我们将概述miRNA介导的植物耐受性方面的研究进展。ｍｉRNAsand植物的胁迫耐受性植物受到胁迫时可以利用多基因调控机制，包括基因的转录后调控,以恢复和重新建立细胞的动态平衡。miRNA已经成为无处不在转录后基因调控分子。植物mｉRNA是约21个核苷酸长的小调节分子,更长的初级mｉRＮA采用发夹状结构被剪切得到mｉRNA。miRNA基于目标的ｍRNA不完善序列的互补性来识别以及通过降解或抑制同源靶mRNＡ的翻译来抑制表达。在动物中，蛋白质编码基因的大约60％的似乎是由ｍiRNＡ调节。相比之下，植物ﻫmiRＮA的目标只占少量（15０，少于１％）.虽然mｉRＮA的数量少,但植物miRNA控制基因调节的影响不能低估,因为大多数目标是转录因子［2].这些转录因子可能参与从种子萌发到种子成熟的发育过程。因此，mｉＲNA被认为是调节了主要发育流程。直到miＲ398(它的目标是/锌超氧化物歧化酶),mｉR395和mｉＲ3９９(这两个分别针对硫酸盐转运体(ＡSＴ68）和磷酸转运体(ＰHO1))靶基因的鉴定才将植物胁迫反应和mｉRNA建立了直接的联系。ｍｉRNＡ与植物胁迫反应的联系还可以通过以下事实得到提示，thathyl1和帽结合蛋白８0／ABA过敏突变体，被破坏的是miRNA的合成，ABA是几种胁迫应答基因表达的调节因子.更令人称奇的是，大多数靶向转录因子的miRNA在应激反应中表达显著改变.哪怕是细微和短暂的应激过程miＲNA表达的瞬时变化可能有着明显的生理效应。例如，miR393略微和瞬时表达上调来响应氮的可用性,但可以有一个强大的效果，通过调节AFB3mRNA的丰度来影响根的建成。同样，mｉR３９3一个微妙的和短暂的变化调节FLG-22ｍiR39３的表达暗示miR393在植物抗病能力中的作用.的确，转基因植物中过量表达miR393，抑制转运体ｒespｏnse1（TＩＲ1）转录水平均有所下降,显示出增强抗细菌感染。这些初步的研究令人信服地建立mｉＲＮＡ在植物应激反应中的作用，在胁迫下植物的生长和发育被削弱但对此在分子水平上相对知之甚少。讨论最近的研究结果，增强了我们的理解，这些研究突了miＲNA在逆境下载植物生长,发育，激素信号转导中作为调节分子的重要作用。干旱、盐干旱和盐是世界范围内制约农业生产力的两大因素.过去的20年,植物的耐逆性分子基础被深入研究，这些研究工作已经确定了在干旱和盐胁迫诱导的许多基因，希望与过表达胁迫响应基因会提高植物抗逆性。然而，这些转基因植物中表现出非常小的提高抗逆性，或没有任何改善,这主要是因为在植物胁迫下复杂的基因相互作用不完全被理解。除了编码蛋白质的基因，miRNＡ在应激条件下的表达也被改变（表1）。已确定的ｍｉRNA太多因此没有被全面包含在这个表里(表1).因此,主要的被应激诱导改变的miRNA表达在这里被讨论讨论。虽然报告结果各异，miR３93，miR1６0和mｉR167上调表达在干旱和/或盐胁迫下已经在几种植物物种中被普遍观察到(表1）。这些miRNA在响应胁迫的表达变化是植物的减轻胁迫损伤的重要原因(图1）。ｍiR1６９是一个在抗旱和盐胁迫响应中Ｔabｌｅ1．ＭｉcroRNAｓｒeｓponｓivetｏｂioticａndａｂioｔiｃｓtressesindiverseplantｓpecieｓAｂbreviaｔioｎｓ：Ａtｈ，Aｒaｂidopsisthalｉａｎa;Bdi,Braｃhypodiｕmdiｓtａcｈyon；Gｍａ，Glycinｅmax；Hｖu,Ｈordeｕmvuｌｇａre；Mtr，Medicａｇotruncatｕla;Mes，Mａnihｏｔescｕlｅnｔa;nｄ,notdetermiｎedｏｒｎochaｎgｅ,Pvｕ，Phａseｏlusvulgａris;Peu，Populuｓeｕｐhｒａｔicａ;Ptc，Poｐｕlustricｈoｃarpa;Pｔe：Pｏpulustremula；Ｔtｕ，Triticｕｍtｕrgidum；Ｏsa，Ｏrｙｚａsatｉva；Vun,Vignaungｕicuｌａta；Zma,Ｚeａｍａys；”，upregｕlated;^，initiallyuprｅgulatedthｅｎrｅtuｒnedtobasallｅveｌ；＃,doｗnｒegulaｔed;"&#,sｏmemembeｒｓｗerｅupregｕｌaｔed，sｏmeWeredowｎregulaｔed.发挥重要作用的MｉcroＲNA，为了应对干旱，拟南芥中ｍiR１６９下调,而其靶标NＦYA5被诱导.事实上，功能分析已确认NFＹA5过表达转基因株系的耐旱，而mｉR１6９过量表达的植物是干旱敏感.这些结果表明mｉR169介导的NFＹＡ5调控是关键的基因对于植物适应干旱胁迫。与此相反，下调mｉＲ169在拟南芥［21]和紫花苜蓿的苜蓿[22］,干旱胁迫上调表达ｍiＲ169在水稻(Oryzasatiｖa）中。这些相互矛盾的结果强调有必要进行更深入细致的响应胁迫的植物ｍiRNA研究。在植物胁迫反应的ｍｉRNA的重要性研究中，ｍiRNＡ表达谱已在基因型分析中表现出截然不同的响应敏感性,miRＮＡ在耐旱和抗旱的大豆中表现出显着的差异。例如,一些miRNA(mｉR16６-5P，miR169f—３P，miR１51３c,miR３９7ａb和miR-Ｓeｑ1３）被上调在敏感的基因型中,而相同的ｍiRNA表达下调在耐受的基因型中。相比之下，miR１66f在敏感基因型上调,但水分胁迫下在耐受基因型中下调。同样，两个玉米之间的比较分析不同盐敏感性的两个玉米系(耐盐ＮC２86和盐敏感黄早），也发现了差异表达的ｍｉRNＡ。这些研究结果表明,miＲNA表达谱与不同胁迫敏感性基因型密切相关.因此，可能一个更全面的分析，包括有关调控对miＲNA靶基因的影响，将提供更好的见解,对于不同耐胁迫基因型下miＲNA指导的基因表达的认识.这样，分子机制然后可用于提高作物的胁迫耐受性策略中.Ｆiguｒｅ1.AuxinperｃeptionaｎdｓignaliｎgundernｏrmａlgrｏwthｃonditionsａｎdduriｎｇsｔressareregｕlａｔedbymiRNAs.大多数报告的研究分析了在受到胁迫时整株植物的miRNA表达谱。为数不多的研究分析胁迫下ｍiＲＮA在不同组织中的表达.例如，４个miRNA显示出组织特异性，在脱水过程中调节大麦基因表达：mｉR１６6在叶中上调,但在根里下调;miR156ａ,ｍiＲ171和ｍiR408在叶被诱导，但在根里表达不变（表１）.同样,在蒺藜苜蓿，水胁迫下ｍｉＲ398上调更为明显较根里。miＲＮＡ在不同组织的差异调控是为适应胁迫的重要方式，但是组织特异性调节可能在整株植物分析中被遗漏.冷,热等非生物胁迫温度波动在每一天和变化的季节很常见，植物必须重新编写他们的基因表达谱来适应这样的温度剧烈变化。转录的低温应答基因是非常已知，但是miRNＡ最近才被添加到低温应答基因调控网络。比较不同的物种(拟南芥,短柄草和杨树[杨中miRNA表达的概况毛果］）冷应激过程中mｉRNＡ的表达谱发现有相似性ﻫ(miR３９7和miR169的上调),和差异性（miR1７2上调在拟南芥中和短柄但没有普遍性).在寒冷胁迫下在不同的植物物种中相反的miRNA调控模式也有报道。在冷胁迫,在杨树和拟南芥中ｍiR168水平上调,但在水稻下调。同样，ｍiR1７1下调在水稻中,但响应低温胁迫时在拟南芥上调。其中的一些相互矛盾的报道可能是真正可以归因于不同无关的植物物种的反应。但是，不同实验条件和所采用的方法不能排除是观察到的差异可能的原因.在世界许多地方增加的温室气体排放量，加上降低的年降水量增加了平均生长季节的温度。高温不利地影响植物生长及发育，其中在花粉活力，灌浆和成熟

过程收到最明显和严重的影响。由热应激诱导的几个miRNＡ在杨树和小麦中已经鉴定（表1)。此外,从小麦幼苗暴露热应激（408C）下miＲNA表达谱,揭示了在耐热和敏感植株中mｉRNＡ动力学的不同。除了这些胁迫,miRNA的表达在不同的植物物种的其他非生物胁迫下被改变，如缺氧，紫外线Ｂ辐射和氧化应激（表1),这就表明miRNA是胁迫应答基因调控网络的一个组成部分。生物胁迫（细菌致病)与病原体接触,寄主植物可以基于病原体相关分子性质识别病原体，并在涉及快速变化的基因，激素和代谢物水平启动防御机制。mｉRNＡ也是这种防御机制的一部分.几个miRＮＡ,如miR3９３,miR31９,mｉＲ158，miR160,ｍiＲ167，ｍiＲ165/16６和miR１59，均上调，而ｍｉR390，miＲ4０8和mｉR3９8下调在拟南芥叶细菌丁香假单胞菌，番茄DC3００0侵害时，miＲ393，miR１60和miR167再叶片中上调在挑战PstDC3０0０HRCC病原体时.。同样，在拟南芥中用鞭毛蛋白22可以诱导ｍiR３93表达。这些研究表明，靶基因是参与生长素的感知和信号产生的miRNA在细菌感染的发病过程中上调。生长素信号的产生的抑制促进植物对这种感染的抗性，说明微ＲNA在保护植物免受致病细菌侵害中起到至关重要的作用。

缺磷磷是植物所必需的营养素.主要是通过转录调控应对磷酸缺乏,但miRNA介导的转录后调节也参与了这一过程。miR399，miR82７和miR211１特异的响应磷酸盐缺乏。此外，ｍｉＲ15６,miR77８，mｉR828，ｍiＲ169，miR39５，miR39８和miR3９9的丰度磷酸盐缺乏时也改变，这表明其他的ｍiRNA在磷酸盐的动态平衡中的一种参与调控.这些mｉRNA中，ｍiR３99已经得到很好的认识,诱导mｉＲ3９9表达负调控PHO2/UBＣ24（一个E2泛素结合酶），PＨO２／UBC24负向调节从旧到年轻叶调动内部磷酸盐。有趣的是,ｍiR827和miR211１，也是针对泛素途径的E3连接酶（Aｔ1g02860和Aｔ1ｇ６301０由ｍiＲ827和Aｔ３g271５0通过mｉR２1１１）,这表明泛素介导的蛋白质降解过程是一种常用的响应缺磷途径。诱导这三个miRNA,可能下调Ｅ2和Ｅ3酶的表达,从而减轻下游目标蛋白酶体介导的降解。鉴定由mｉR827和miR2１11靶向的E3连接酶的底物将揭示这些E3连接酶是否在缺磷条件下也能调节磷酸的动态平衡。缺硫硫是植物必需的另一种营养素，是在干燥的土壤中以硫酸盐的形式提供.在吸收方面，硫酸盐最初融入的氨基酸半胱氨酸,随后进入谷胱甘肽，植物抗毒素和硫代葡萄糖苷,这下对植物最佳条件以及为在胁迫下生存生长有重要意义。在缺硫期间，硫的吸收和代谢的植物调节发生在不同的水平,mｉRNA是这个调控网络的一部分。mｉR３9５,收到缺硫酸盐特异性诱导,其靶标是一种低亲和力转运硫酸(ＳULTR2；1/ＡST68）和ATＰ硫酸的三名成员家庭(APS１，APS３，AＰS4）.AＰS1成绩单的水平，但不是AST６8水平,负相关ｍiR395的诱导在缺硫时候。在对比之间的负相关关系miRNA和其靶ｍＲNA,既ｍiR395和AST68在缺硫期间的拟南芥根系水平的提高。然而,组织特异性谱揭示miR３９5是诱发在韧皮薄壁,而AST68被诱导在木质部薄壁［46，48,４9］，表明miＲ395或许在薄壁细胞防止ASＴ6８渗漏表达.最近的研究表明miR395的功能在缺硫酸盐时在拟南芥叶中被激活,但如何参与这种调节机制不清楚.除了mｉR３9５。mｉR156,miR１6０的水平，miR164，miR167，miR16８和ｍｉR３９4的表达在缺硫时也改变,提示这些miRＮＡ可能在缺硫调节中起到一定的作用。缺铜铜是作为一个必需的微量营养素，以辅助因子参与了各种植物功能蛋白，包括光合作用，清除活性氧和感知乙烯。在植物中，铜动态平衡是一个严格监管的过程,涉及一些保守的铜响应的mｉRNA(miR397，mｉR３98，miＲ４08和miR857）.有趣的是,这些miRNA是靶向已知转录物的含铜蛋白质,例如铜/锌ＳODS(碳酸饮料），plaｎtａｃyanin和几个漆酶(漆酶－２，3,４，7，1２,13和17)。缺铜诱导的miＲNA表达下调靶基因的表达，提示铜响应的miRNA可以节省铜以提供给更多必需的蛋白质(如质体蓝素和细胞色素ｃ的氧化酶）实现的方式是通过沉默ＣＳDs,plａntacyanin和漆酶。链接氧化应激和铜动态平衡的mｉR398调控Figure2.ＤｕalbutoppositereguｌaｔionofmiＲ３9８ｉｓdepｅndｅntｏntheｎatuｒeｏfｓtｒessinArabidｏpｓis．miＲ３9８针对两种不同的基因家族：铜/锌SＯＤS（CＳD1和ＣSD2）和铜伴侣超氧化物歧化酶（CCS１)(图2）miR３9８响应氧化应激和缺铜，但是一个相反的方式，也就是说,miＲNＡ下调在氧化应激过程，但缺铜时上调。在最佳生长条件，mｉＲ３98是在中等水平表达（尽管这个水平可以在不同的组织之间变化），精调CSD1，CSＤ２和CCS1转录本和蛋白质丰度。在应激状态下，活性氧往往积累，解毒需要增加CＳＤ１和CSＤ2表达，通过抑制ｍiR３98的水平来实现（图2),而在缺铜,诱导miR3９8导致了沉默CSD1/ＣＳD２/CCS1以节省铜为更重要的蛋白质提供.总之,ｍiR３98水平是上调或下调取决于植物的生理状态;下调发生在响应降低氧化应激，上调以节省铜。氮必需营养素氮罐的缺少会对植物生长发育的多个不同方面产生负面影响。植物利用各种基因调控机制，包括mｉRNA介导的基因调控,以适应低氮可用性.miＲ393/AFB３模块

参与调控根系构型对氮素利用.AFB3水平是在转录和转录后调控针氮利用,转录后水平调节依赖于miＲ３93。ｍｉR３93上调响应氮化处理，但其上调是相当短暂的,2h后达到峰值。上调ｍiR3９3水平引发AFB3下调，这又控制着下调主根和侧根的生长.另一个氮响应的ｍiRNＡ模块miR167/ARF8.细胞特异分析显示,miＲ16７ａ被压抑在中柱鞘和根冠,而它的目标是ARF8上调来应对氮处理，后者接着启动侧根形成在拟南芥中。总的来说，这些研究表明,氮可改变miRＮA的表达后者通过靶向AＦB3或AＲF８再通过生长素信号调节根系统的体系结构.mｉRNA靶标受到胁迫特异的调控在植物,大多数的ｍｉRNA靶向属于同一基因家族的多个目标.数据表明，针对特定的条件下,ｍiRNA能够选择性地调节特定的基因表达。例如，在非生物胁迫下降低miＲ398表达导致上调既CSＤ１和CSD2，而由丁香假单胞菌,番茄DC3０00AvrRpt2或ＡｖｒRpm1感染导致表达下调只影响ＣＳＤ１但不影响ＣＳＤ2.同样，该被上调响应氮的mｉＲ3９3下调AＦＢ3,但不影响它的三个其他靶标。目前还不清楚的其他靶标如何逃避miRNＡ监管。这可能因为miRＮＡ和其靶基因的表达以一个非重叠的方式,因为在拟南芥miＲ３95和AST68已经显示出。还有其他的可能性,如包涵miRNA的RＮＡ诱导的沉默复合体（ＲISC）无法识别某些mRＮA靶标，由于结合的RNA结合蛋白，或本地中RＮA结构的存在导致mｉRNA识别位点是不可访问，如人类ＲＩSC的情况。miRNA将胁迫下减缓植物生长和激素信号联系在一起复杂的植物激素响应由相互作用的两种不同的蛋白质家族介导,AUX／IAA蛋白(转录阻抑物)和植物生长素响应因子（ARＦs）传导生长素信号在转录水平主要诱导三组基因：AUX/IAA，GＨ3和ＳAUR。几个转录因子，如HＤ-ZＩＰ的成员家庭，AＰ2型，AS2状(LBD），MYB类，锌指状和许多其他的一样，也依赖于生长素基因信号[62,63].对生长素的感知由ＴIＲ１生长素受体，TIR１降低了AＵX/IAA蛋白质,这是结合并抑制AＲF转录因子来负调节生长素信号。AUX/IAA—介导的负调控的ARFs反过来激活或抑制生长素应答基因的转录。在２3种ＡＲFs中有八个是目标的miＲNA和TAＳ3ｓiＲNAｓ：miR16０调控AＲＦ10，ARＦ16和ＡRF１７和mｉR1６7靶调节ＡRF6和ARF8；而的mｉR390依赖ＴAS3ｓｉRNA调节ARＦ２,AＲF３ﻫ和ARＦ4。其中，ARＦ6和ARＦ8被称为是转录激活因子，而其他小RNA靶向的ARＦｓ被认为是转录阻遏物.ﻫ减慢植物的生长和代谢率是常见的生存策略，用转移能量和其他资源以应付胁迫。生长素信号对植物生长和发育至关重要,最近的研究表明,生长素也参与了植物胁迫耐受性.生长素信号和胁迫的联系在miＲNA这里被观察到，miRＮＡ靶向ＴIR1和ARＦs,例如,ｍiR１60，miＲ167和miR393对干旱,盐，AＢＡ,UＶ-B，寒热的上调响应（表1）。这些miRNA也响应于细菌感染,这意味着生物和非生物胁迫的信号融合于miR3９3，mｉR16０和miR167调控的上游.上调miR393导致下调TIＲ1,这又降低TIR1介导的降解AUX/ＩAA,导致通过ＡUXARF失活/（图1）.同样，胁迫诱导ｍiR1６0和miＲ167的上调,这样下调五个AＲFｓ的表达，其中的ARF6和ＡＲF８是正调控因子,ARF１0，ARF16和AＲＦ17是成长和发展的负调控因子。在对比的miRＮA一般会上调,但是miR39０在胁迫下下调，因此,他们的目标ARＦ2,ARF３，ARF4上调。生长素应答基因如GH３编码生长素的缀合蛋白质。因此，这些基因的调控是控制生长素水平的重要机制(生长素的动态平衡）。ARF1７可以作为一些阻遏GH3基因。更多的证据表明ＡRF１０,ARF1６和AＲF１7是抑制生长素信号，来自于对心皮（FOC）突变体的花器官的研究.FOＣ突变导致无法积累miＲ160a，致使ARF１０，AＲF1６和ＡRＦ１7水平升高，并降低对生长素的响应，通过ＤR5:ＧUS表达发现。增加miR１6０水平导致下跌ARF17，在反过来有助于升高GH３蛋白水平.增加了GH３蛋白可能减少游离IAA含量，在通过增加ＧH3-IAA共轭池的细胞。因此，对应力响应miR160另一个潜在的作用是它可能在胁迫下有助于生长素的动态平衡.虽然每个植物的ARFs的确切作用未知，看来差各种ARFｓ的调控miRNA的很可能是对于抗逆性重要支持的想法，在压力下植物生长衰减可能介导通过控制生长素感知和信号的mｉＲNA。抗逆作用中miRNA的作用miＲＮA＊成熟功能的互补链miRNA，被认为是迅速降解或聚集以只有非常低的水平,这表明它可能并不实用。然而，最近的一些研究表明一定的条件下植物的mｉRNA＊往往会积聚在较高水平。例如,miR393＊在拟南芥叶片积累高水平用于挑战细菌病原体丁香假单胞菌。诱导ｍiＲ3９3*促进植物抗细菌感染通过调节液泡定位的MEＭB12的表达（ＳNＡRE)。有趣的是,miＲ393和ｍiR393*调节两个完全不同的基因表达家族（ＴIR1和SNARE）从而促进寄主植物的抗病性。在拟南芥缺磷时,mｉR３99＊也高水平积累。miR３99*也聚集在高水平下的磷酸盐

剥夺在拟南芥［39]。同样，ｍiR39５＊积聚发生在甜高粱种植中的最佳营养条件，表明ｍiＲ3９5*

在生物合成过程而不是硫代谢.这些结果提出了一些有趣的的问题.miR3９5＊和mｉR３99＊有功能吗？如果有，什么是他们的目标，而这些靶标的作用是以miＲNA的对应物参与相同的生化过程？结论，评论和展望全基因组的观察已经确定了植物调节miRNA以时空特异性的方式，已经出现的一个显着特点是应激过程中植物生长发育的衰减可能被保守的miＲNA靶向转录因子介导，特别是

调控生长素的感知和信号的ｍiRNＡ。营养缺乏诱导miR3９5和ｍiR3９9在不同的植物物种中表达.然而,在