長非編碼RNA研究進展及其在油棕環境適應中的調控作用

周麗霞，肖 勇

(中國熱帶農業科學院椰子研究所，海南省熱帶油料作物生物學重點實驗室，海南文昌 571339)

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長非編碼RNA研究進展及其在油棕環境適應中的調控作用

周麗霞，肖 勇

(中國熱帶農業科學院椰子研究所，海南省熱帶油料作物生物學重點實驗室，海南文昌 571339)

綜述了長非編碼RNAs(lncRNAs)的研究進展，并介紹其在油棕非生物環境脅迫適應性的調控作用，以期為lncRNAs作為調控因子在油棕環境適應中的應用提供參考。

長非編碼RNA；環境適應性；調控作用

隨著新一代測序技術和平鋪陣列(tiling arrays)等測序技術的發展，非編碼RNA逐漸被挖掘并確認為基因組的組成和功能部件[1-2]。非編碼RNA指不編碼蛋白質的RNA，其中一部分為持家非編碼RNA，如tRNAs、rRNAs和小核酸RNAs，另一部分在植物生長發育和脅迫反應中起重要的調節作用，如microRNAs和siRNA[3]。長非編碼RNA(lncRNAs)是一類長度超過200 nt的轉錄本，其主要位于細胞核內和胞漿內[4]。根據lncRNAs具有基因組定位、DNA/RNA功能定位、靶向作用機制等特點，將其分為3個亞群：長非編碼天然反義轉錄(lnc-NATs)、內含子長非編碼RNAs和基因間長非編碼RNAs。大多數長非編碼RNAs被認為由RNA聚合酶II通過5′帽子和3′poly-A尾巴轉錄而來[5-7]。研究表明，在植物中，lncRNAs也可由Pol II、IV和V轉錄而來，其中部分缺失poly-A尾巴[8]。功能分析表明，lncRNAs可進行順式和反式基因轉錄，并作為“支架”用于染色質復合物，其以RNA的形式參與蛋白編碼基因的調控，轉錄后調控，轉錄激活、干擾，X染色體沉默和染色質修飾等多種重要的調控過程[9-10]。

近年來，lncRNAs雖然受到很多研究領域的關注，但僅有少數lncRNAs的功能研究相對深入。就研究領域而言，lncRNAs在植物領域的研究遠落后于人類和動物領域[11]，其在油棕環境適應性的調控作用研究尚處于起步階段。筆者綜述了IncRNAs的研究進展，并介紹其在油棕環境適應中的調控作用，以期為IncRNAs作為調控因子在油棕環境適應中的應用提供參考。

1　植物lncRNAs多樣性

通過生物信息學試驗手段可探索新的lncRNAs[12]。全基因組范圍內的轉錄組分析，如微陣列、模擬植物RNA測序結果發現，非蛋白質編碼RNA主要位于真核生物基因組中[13-17]。在酵母和其他高等真核生物中發現了lncRNAs，如人類基因組分析發現超過50 000個lncRNAs[18-19]。

通過分析200份擬南芥轉錄組數據，發現了具有組織特異性或脅迫誘導的lncRNAs約6 480個。Wang等[14]在擬南芥中發現37 238個長非編碼反義轉錄組，與70%反義轉錄組注釋的mRNA相關聯。利用鏈特異性RNA-Seq分析法，Zhu等[20]研究發現，擬南芥中lncRNAs在香蕉枯萎病毒誘導下，反義轉錄物中產生約20%注釋基因，且大多數新鑒定的轉錄活性區域鄰近或者位于注釋基因的延伸部分。除具有poly(A)+尾巴的非常編碼RNAs[poly(A)+lncRNAs]外，無該尾巴的長非編碼RNAs[poly(A)-lncRNAs]在人類中已被發現[21]，在植物中，借助RNA-seq技術，發現在不同逆境脅迫條件下，擬南芥幼苗中存在poly(A)-lncRNAs[22]。與poly(A)+lncRNAs相比，poly(A)-lncRNAs長度較短，較少表達，在逆境脅迫條件下更具有特異性。

Xin等[23]在小麥中找到125個對逆境脅迫響應的lncRNAs，該lncRNAs具有組織特異性，并在白粉病和高溫脅迫條件下被誘導。同樣，lncRNAs在玉米中被發現，Li等[13]通過30個不同的生物學試驗，結合玉米轉錄組數據、玉米注釋基因組信息和RNA-seq數據，鑒定了20 163個lncRNAs。通過對比玉米sRNAs數據，發現超過90% lncRNAs是sRNAs的前體，在發現的1 704個高置信lncRNAs中，根據H3K27me3組織特異性分子標記判斷出其中約50%的高可信度lncRNAs具有組織特異性。

2　植物lncRNAs與小RNAs前體

作為核糖核酸調節子，lncRNAs以RNA的形式在轉錄水平和翻譯水平等多個層面調控細胞的加工過程，其作用機制多樣化[24]。一些lncRNAs是小分子RNA的前體分子，如miRNAs和siRNAs。類似蛋白質編碼基因和一些lncRNAs，miRNA前體基因由RNA聚合酶II轉錄合成[25]。對比脊椎動物和蒼蠅，miRNAs在植物體中為少量成分，此外還存在較為復雜的小分子RNA池。如此復雜的sRNA池在siRNAs和二次內源性siRNAs的調節下，由植物特異性RNA聚合酶IV/V合成(Pol IV/Pol V)[26]。生物合成Pol IV/Pol V依賴性siRNAs的同時產生了植物特異性lncRNAs，因此被稱為Pol IV/V依賴性lnc RNAs。

通過分析全長cDNA數據庫，發現一些24nt siRNAs和擬南芥中5個lncRNA(npc34，npc351，npc375，npc520和npc523)配對成功，大多數由上述5個lncRNAs衍生而來的siRNAs映射到lncRNAs區域，表明這些lncRNAs是siRNA的前體[27]。76個lncRNAs與現有的sRNA數據庫比對發現，34個lncRNAs可能是潛在的sRNA前體[24]，如miRNAs、miR869a和miR160c。基于擬南芥sRNA測序和降解組測序數據，Ma等[28]研究發現，43個區間具有高度互補的長莖結構，該區間可被識別為Dicer相似蛋白基因(DCL1)，同時推斷該區間為sRNA前體。Waterhouse等[29]研究發現，多肽可通過miRNA前體的非編碼區進行編碼，表明一些lncRNAs具有潛在的編碼功能。

3　植物lncRNAs與miRNA靶標模擬物

靶標模擬物(target mimicry，TM)最早在植物中被發現，其作為一種新型機制來調節miRNA的功能[30]。TM與其對應的miRNA形成一種“無效”的互補作用，起到抑制特定miRNA活性的作用。近年來，具有類似機制功能的競爭性內源RNA(ceRNAs)在人類和動物細胞中被挖掘，這表明通過TM來調節內源特性miRNA的豐度是一種普遍現象[31]。

作為一種內源性lncRNA，擬南芥IPS1在缺磷條件下被誘導產生，參與調控磷平衡的miR399互補結合，從而抑制miR399對PHO2mRNA的降解[30，32]。全基因組分析表明，一些植物通過全測序發現了一些候選eTMs，然而，大多數預測的eTMs主要作用于注釋基因。Wu等[32]通過分析擬南芥和水稻中20個miRNAs的eTMs位點分布情況，結果發現，這些位點大部分在UTR區和非編碼區。同時發現一個miRNA可對應多個eTM，且多個eTM僅在靶向位點具有保守性，兩邊序列無相似性。利用農桿菌瞬時表達轉化方法，確定了miRNA160和miRNA166對應的eTM在植物生長發育過程中具有重要的調節功能。

eTMs的調節作用可通過內源性miRNA和人工設計miRNA誘導產生。基于eTM的重要生物學意義，挖掘miRNA相對應的eTM，是進行miRNAs功能學研究的重要手段。如將人工合成的eTMs導入轉基因植物中，可以減弱相對應的miRNA的功能。

4　植物lncRNAs與春化作用

開花是植物生命周期的一個重要過程，標志著植株從營養生長階段轉變到生殖生長階段[33]。春化作用在成花誘導方面具有重要作用，春化低溫對越冬植物成花的誘導起促進作用，植物lncRNAs對春化作用的調控主要通過FLOWERINGLOCUSC(FLC)基因實現[34]。

研究表明，擬南芥春化作用主要是通過FLC基因調節，在植物中，FLC作為一種重要的開花抑制蛋白，對植物春化起到一種負調控作用[35]。FLC基因是一個復合位點，最新研究表明，該位點至少有2種類型的lncRNAs，一類被稱為COLD INDUCED LONG ANTISENSE INTRAGENIC RNAs(COOLAIR)的反向轉錄本[36]，另外一類長非編碼RNA是COLD ASSISTED INTRONIC NONCODJING RNA(COLDAIR)，其具有5′帽子結構但缺少poly A尾巴，它是由FLC第一個內含子轉錄而來，這2類lncRNAs可以促使PHD-PRC2復合物的形成，使得FLC通過表觀遺傳調控組蛋白的修飾[37]。

5　植物lncRNAs與花粉發育

Ding等[38]、Zhou等[39]完成了光敏雄性不育基因的克隆，并發現克隆的基因是lncRNAs，但兩者對該基因作用機制的研究結果不一致。Ding等[38]研究認為，水稻光敏雄性不育系的關鍵基因為一條特異的lncRNA—long-day-specific male-fertility-associated RNA(LDMAR)，該lncRNA的充分表達是長日照條件下水稻花粉正常發育所必需的。長日照條件下LDMAR轉錄水平的衰減引起水稻花藥發育過程中細胞程序性死亡(PCD)，該結果導致雄性不育。同時發現了一個點突變，從而導致RNA二級結構的改變和增加啟動子區域DNA甲基化。進一步研究發現一個siRNA——Psi-LDMAR，位于LDMAR的啟動子區域。Psi-LDMAR的過表達誘導LDMAR啟動子區域產生RdDM，這使得LDMAR表達量減少。Zhou等[39]發現了一個ncRNA基因——P/TMS12-1，其轉錄本經過加工產生一個21nt sRNA——osa-smR5864w。osa-smR5864w中AC/G的點突變影響了sRNA的表達水平，進而產生了光敏和溫敏雄性不育系水稻。上述2學者對lncRNAs作用機制的不同解釋暗示了該基因的復雜性。

6　植物lncRNAs與光形態建成

光是影響植物生長發育最重要的環境因素之一。植物不僅通過光合作用將光能轉化成化學能儲存起來，光還能以信息的形式作用于植物并調節植物的生長、發育和分化，使其更好地適應外界環境[40]。光形態建成的調控機制是植物分子生物學中的研究熱點之一，其復雜的調控過程在分子水平具有深入研究。然而，迄今為止所確定的調節因子大多是蛋白質，對參與調節lncRNAs的研究相對較少，近年來引起諸多學者的關注。

Wang等[14]以擬南芥作為模式植物，在全基因組范圍內挖掘了長非編碼天然反義轉錄本(lncNATs)。通過研究正義-反義表達譜對光線的響應，發現在626個一致和766個不一致NAT對中觀測到了發育特異性光效應。這揭示了lncRNAs在光形態建成中的重要作用。Deng等[41]鑒定出一個236 nt的lncRNA——HIDDEN TREASURE 1(HID1)，HID1促進了持續紅光下光形態建成，證實HID1是通過PHYTOCHROMEINTERACTING FACTOR 3(PIF3)來發揮作用的。PIF3編碼了已知是光形態建成關鍵抑制物的一個堿性螺旋轉錄因子，在HID1突變株中抑制HID1，可導致PIF3表達顯著升高，轉而驅動持續紅光下胚軸的發育。HID1是第一個被證實調控光形態建成的lncRNA。

7　植物lncRNAs在油棕環境適應中的調控作用

油棕作為我國熱帶地區主要的木本油料作物，被國家林業局確定為重要的生物能源樹種之一。油棕喜高溫，而我國熱帶地區冬季的短暫低溫期顯著影響了油棕的生長和發育，嚴重時導致敗育減產。油棕為了適應脅迫環境產生了自身的適應機制，在分子水平上主要通過轉錄水平和轉錄后水平調控相關基因的表達，從而適應外界環境的脅迫[42]。研究表明，油棕組織中一些miRNA受環境脅迫而被誘導。首先對油棕幼苗進行干旱、鹽和低溫脅迫處理，通過小RNA測序，結合生物信息學分析，篩選獲得67個低溫處理和對照條件下存在明顯差異的miRNA，說明ncRNA可能在應對上述不良環境中發揮作用[43]。

研究表明，油棕中miRNA在調控網絡中發揮重要作用，其中一些miRNA的作用基因成為激素信號相應的主要成員，油棕miRNA在激素信號轉導網絡中的主要功能是參與激素信號轉導過程，如miR395受到低硫酸鹽的脅迫而被誘導，其靶基因在該脅迫下降低了mRNA的表達[44]。miR528通過調控其靶基因來參與油棕脂肪酸合成代謝，對油棕果皮脂肪酸的含量和類別發揮調控作用，當油棕受到低溫脅迫時，miR528在油棕果皮發育的第5個時期表達量大大降低，其通過靶基因磷脂酶D抑制了細胞內游離脂肪酸的合成，使得低溫脅迫下油棕果實中脂類物質合成受阻[44]。

8　展望

lncRNAs是植物體內的一個重要調控家族，其調控作用主要表現在植物生長發育的多個方面和適應外界逆境的脅迫。lncRNAs的調控作用存在于繁雜的調控網絡中，具有較強的組織細胞特異性。目前，對油棕體內lncRNAs調控的研究尚處于初步階段，諸多調控機制尚不清楚。此外，油棕lncRNAs作用靶基因的組成和功能研究尚不全面，隨著對lncRNAs調控機理研究方法的不斷深入，必將弄清lncRNAs分子調控作用的機制，也將大大促進lncRNAs作為調控因子在油棕環境適應性中的應用。

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Research Progress in Long Non-coding RNA and Regulatory Roles in Oil Palm Adaptability

ZHOU Li-xia, XIAO Yong

(Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Science, Hainan Provincial Key Laboratory of Tropical Oil Crops Biology, Wenchang, Hainan 571339)

The research advances of long non-coding RNAs(lncRNAs) were reviewed, and their regulatory functions in oil palm adaptation to abiotic surrounding stressors were introduced, so as to provide reference for application of lncRNAs in oil palm adaptation as regulatory factors.

Long non-coding RNA; Environmental adaptability; Regulatory role

海南省自然科學基金項目(20153070)；海南省科技合作專項(KJHZ2015-06)。

周麗霞(1982- )，女，山東聊城人，助理研究員，碩士，從事熱帶油料作物遺傳育種研究。

2016-08-08

S 727.32

A

0517-6611(2016)27-0124-03