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microRNAs 在植物逆境响应中的作用 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途microRNAs在响应植物逆境中的作用Ramanjulu Sunkar， Yong-Fang Li and Guru JagadeeswaranDepartment of Biochemistry and Molecular Biology， Oklahoma State University， Stillwater， OK 74078， USA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。miRNAs and 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miRNA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AFB3 mRNA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-22 miR393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.个人收集整理,勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络干旱、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Table 1。 MicroRNAs responsive to biotic and abiotic stresses in diverse plant speciesAbbreviations: Ath， Arabidopsis thaliana； Bdi， Brachypodium distachyon； Gma， Glycine max; Hvu， Hordeum vulgare； Mtr， Medicago truncatula； Mes, Manihot esculenta; nd, not determined or no change, Pvu, Phaseolus vulgaris; Peu， Populus euphratica; Ptc， Populus trichocarpa； Pte： Populus tremula; Ttu, Triticum turgidum; Osa, Oryza sativa； Vun， Vigna unguiculata; Zma， Zea mays； ”， upregulated; , initially upregulated then returned to basal level; #， downregulated； ”&， some members were upregulated， some个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途Were downregulated。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（Oryza sativa）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，miR169f3P，miR1513c,miR397ab和miRSeq13）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。个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Figure 1。 Auxin perception and signaling under normal growth conditions and during stress are regulated by miRNAs. 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（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PstDC3000 HRCC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。个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络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Figure 2。 Dual but opposite regulation of miR398 is dependent on the nature of stress in Arabidopsis。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，2 h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DC3000 AvrRpt2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，ARF3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。 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，UVB，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AUX ARF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。文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络生长素应答基因如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，在开关草（柳枝稷），一种植物,生长在荒地，这两个miRNA是组成型表达和不响应硫酸或磷酸缺乏。因此，miRNA表达的调控在不同植物物种之间变化，如那适应于次优条件和驯化物种。胁迫应答的miRNA有可能在转录水平被调控，但在潜在的转录后水平调节不能排除。例如，由于转录抑制，miR398暴露于氧化应激56,56后数小时内消失。这可能是因子（SPL7）介导的调控失活的结果。在转录后水平,小RNA降解核酸酶（SDN中，核糖核酸外切酶），已被证明可以降低的miRNA。胁迫诱导的miRNA降低表达是由于降解加强还是不确定的. 除了转录本的降解，一些miRNA,如miR398，miR172和miR156,已经示出通过在正常的条件下翻译抑制来调节靶标。目前还不清楚是否在植物中使用两种模式调控胁迫下靶基因的表达，或者是一种模式优于其他。 响应胁迫的miRNA识别主要是依赖于序列的识别，这是众所周知的有一定的偏差，因此需要独立的验证。小RNA印迹分析，虽然缺乏敏感性，确是一个进行验证的金标准.大多数已发表的研究没有系统地使用小RNA印迹分析确认。在植物高度可靠和严谨的芯片分析对确认胁迫应答的miRNA至关重要。miR启动子：GUS/GFP分析是胁迫下确定转录调控和空间特异小RNA的一种有效的替代方法如miR167靶,miR393和miR395.检查胁迫下miRNA的靶mRNA降解组分析可提供有力的证据确认miRNA。除了识别miRNA靶标，通过分析从对照和实验组的降解组文库，应该是可能量化胁迫下miRNA对其靶mRNA影响。在单个细胞研究胁迫应答的miRNA和它们的靶基因的表达，将提供在胁迫下对细胞和组织特异的miRNA及其靶网络更深的认识，随着我们对胁迫下miRNA作用认识的加深，应用miRNA介导的基因调控来增加植物抗逆性的可能性也会越来越大.microRNAs在响应植物逆境中的作用-抗逆基因组学作业 李海波 2013816160