植物miRNA的生物學特性及在環境脅迫中的作用

曾幼玲，楊瑞瑞

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植物miRNA的生物學特性及在環境脅迫中的作用

曾幼玲，楊瑞瑞

（新疆大學生命科學與技術學院/新疆生物資源基因工程重點實驗室，烏魯木齊830046）

MicroRNA（miRNA）是一類在生物體內普遍存在的非編碼、長度約為21 nt的小RNA分子，一般由內源基因編碼，RNA聚合酶Ⅱ轉錄后，經過Dicer-Like酶等一系列的蛋白復合物將pre-miRNA（precursor miRNA）剪切成成熟miRNA，在轉錄及轉錄后水平介導靶mRNA轉錄沉默、降解或翻譯抑制來調控基因的表達，是真核細胞基因表達的重要調控因子。第一個miRNA是在秀麗隱桿線蟲（）中發現的，與mRNA 3′ UTR的堿基序列部分互補，降解，從而抑制的表達。對靶基因的調控與線蟲的生長發育密切相關。而第一個發現的植物miRNA是擬南芥miR171，它靶向剪切編碼基因Scarecrow-like（SCL）家族的mRNA，調控其基因的表達，進而影響植物的生長發育。植物部分miRNA，如miR156—miR408在各植物物種中相對保守，而miR408以后的miRNA具有物種特異性。植物在生長過程中會遭遇諸多不可預知（如同鹽堿、干旱、重金屬以及害蟲和病原菌的侵擾等）的環境脅迫。固著生長的特性使得植物不能像動物那樣通過移動來避免不利環境的影響，因此，需要自身特殊機制來應對這些環境脅迫。植物在長期逆境中已進化出極為精細復雜的生理和分子機制。miRNA與它作用的靶基因是響應環境脅迫的主要調控因子。miRNA參與了植物的生長發育、信號轉導、蛋白質降解、營養脅迫、抗病原菌的入侵以及適應高鹽和干旱等逆境脅迫過程，對于調節內源抗性基因表達具有一定意義。目前通過高通量測序、實時定量PCR檢測和轉基因等技術已經發現了很多與環境脅迫相關的miRNA，它們在逆境脅迫下的表達呈現顯著差異性；miRNA的過表達植株經逆境脅迫處理可能表現出一定的抗逆或敏感性。同一家族的miRNA不同成員在響應環境脅迫時具有物種特異性。新疆地區是典型的大陸性干旱氣候，降水量少，鹽堿荒漠化地區多。在這樣嚴酷的環境中頑強生存著許多鹽生旱生類植物，這些植物的miRNA如何在逆境中發揮調控作用，依然需要更深入的探索。本文主要綜述了現階段植物miRNA生物合成、與靶基因作用方式、生物功能以及不同環境脅迫下對miRNA和作用的靶基因影響等方面的研究進展，以便更好地利用miRNA依據的生物技術開展研究和應用轉化。

植物microRNA；生物合成；作用機制；環境脅迫影響

microRNA（miRNA）連續在2002和2003年被《科學》雜志評為十大科技新聞，目前成為生物研究領域的熱點之一。20年來，miRNA的生物合成和功能研究方面已經取得令人矚目的成就。miRNA是3類具有明顯特征的小RNA（microRNA、siRNA、Piwi-interacting RNA）中的一種[1]，是一類約21 nt的單鏈RNA，它對編碼蛋白的基因表達起到負調控作用[2]。

1993年，LEE等[3]在秀麗線蟲中發現長度為21 nt的第1個miRNA（），它能部分與的mRNA 3′ UTR的堿基互補，起到抑制的表達。是線蟲由幼蟲第一階段向第二階段轉化調控通路中的重要基因，而第一個被發現的植物miRNA是擬南芥miR171[4]，它靶向編碼基因Scarecrow-like（SCL）家族，該基因家族在光信號通路、赤霉素信號傳導、分生組織形成、根和腋芽的發育等不同的生物代謝過程中起著重要作用[5]。

植物在生長發育過程中，不可避免地受到多種逆境脅迫影響。為了應對植物固著生長而無法有效逃避脅迫這一缺點，植物進化出成熟且錯綜復雜的分子調控網絡，涉及能量代謝、信號轉導、mRNA轉錄、蛋白質生物合成及降解、細胞膜的物質交換、光合作用等植物生物化學、細胞和生理學進程等，而miRNA介導的轉錄后調控在這些生物學過程中發揮著重要作用[6-9]。miRNA廣泛存在于真核細胞中，是最大的基因家族之一，約占基因組1%。植物中第二豐富的小RNA就是miRNA[10]，是通過RNA聚合酶Ⅱ轉錄生成的小RNA[11]。在不同植物中，miRNA的保守性是不同的，miR156—miR408在各個物種中相對保守且表達量較高，而miR408之后的miRNA的表達量很低，具有物種的特異性，并且它們僅在某些特殊條件下受到誘導[12]。miRNA具有2種主要的生物學作用：第一，響應植物生長發育過程中內源性刺激誘導植物細胞的增殖；第二，響應外界環境脅迫的適應性反應[13]。有研究表明miRNA與它們作用的靶基因是響應各種脅迫的主要調控因子[14]。miRNA幾乎調控著植物所有生物學和代謝過程[15]，對于調節內源抗性基因的表達具有重要意義[16]。

新疆地區是典型的大陸性干旱氣候，降雨量少，鹽堿荒漠化地區多。在這樣的嚴酷生境中頑強地生存著許多鹽生旱生類植物，miRNA如何調控這些植物的抗鹽堿和耐旱性，需要進行更深入的探討?；诖?，本文主要綜述了植物miRNA的生物合成、與靶基因的作用方式、miRNA的生物功能以及不同環境脅迫下miRNA和對所調控靶基因的作用和影響，便于更好地利用miRNA依據的生物技術開展深入研究和應用轉化。

1 植物miRNA的生物合成及作用機制

1.1 植物miRNA的生物合成

miRNA是一類保守的內源性小RNA，在真核生物基因轉錄后起重要調控作用[17]。大多數后生動物的miRNA基因存在于內含子或外顯子中，而植物miRNA基因是存在于基因間的，并且它們的二級結構和長度在不同植物種類中差異性也比較大[10]。動物的miRNA在基因組上是成簇存在的，并且它們會通過多順反子的形式進行共轉錄，相比之下，除大豆外，植物miRNA基因很少串聯排列[18-19]。

植物miRNA的生物合成是一個復雜而精細的過程（圖1），它最初由RNA聚合酶Ⅱ轉錄生成大約1 000 bp具有頸環結構的內源性轉錄物pri-miRNA（primary miRNA）[20-22]，pri-miRNA與mRNA相似，具有5′端“帽子”結構，3′端polyA尾巴。植物pri-miRNA能夠被DCL（Dicer-Like）酶剪切加工成雙鏈pre- miRNA（precursor miRNA）。Dicer-Like酶具有一個位于氨基端的DExH-box RNA解旋酶結構域，pri-miRNA可以通過具有ATP依賴性的RNase Ⅲ活性的DCL-Like蛋白配合不同的蛋白（HYL1和SE等）進行剪切，在細胞核和細胞質中剪切成不同長度的dsRNA[21]。不同類型的DCL蛋白剪切成dsRNA的長度是不同的，如DCL1可以產生18—21 nt的小RNA，DCL2、DCL3和DCL4可以產生22、24和21 nt的小RNA。miRNA雙鏈從前體中剪切下來后，細胞核中的HEN1蛋白會使miRNA/miRNA*雙鏈兩端的3′末端進行甲基化修飾，這種修飾會防止miRNA降解，使miRNA順利進入RISC（-induced silencing complex，RNA介導的沉默復合物）[23-24]。miRNA/ miRNA*被甲基化后，通過轉運蛋白HST將其由細胞核輸送到細胞質中，其中，與成熟體miRNA互補的miRNA*鏈可能會進入降解途徑，但是在某些環境條件下，miRNA*也可能不被降解。越來越多的研究表明miRNA*也具有一定功能[25]。而另一條鏈成熟體miRNA則與AGO（Argonaute，具有PAZ結構域，2個RNase Ⅲ結構域和一個碳端的dsRNA結合結構域[20]）蛋白結合形成RNA介導的沉默復合體（RISC）[10]，最后，RISC切割靶mRNA分子或是抑制靶mRNA翻譯，從而抑制編碼基因的表達[10,26]。目前，新的miRNA命名不再以miRNA和miRNA*表示，而是以成熟體在前體上的位置命名為miRNA-3p和miRNA-5p，miRNA-3p接近前體的3′端，而miRNA-5p則接近前體的5′端[27]。

圖1 植物miRNA的主要生物合成途徑[28]

1.2 植物miRNA的特征和作用機制

miRNA作為一類調控基因表達的小RNA，具有自身獨特性。首先表現為miRNA是一類20—24 nt的單鏈非編碼核酸；其次，所有miRNA前體都能夠形成可預測的頸環結構，且其頸環結構具有較低的自由能；第三，成熟體miRNA的5′磷酸基團和3′羥基基團使它們很容易從大部分的寡核苷酸中區分出來，并且加工成具有功能的小RNA；第四，很多miRNA都是比較保守的，且具有時間和空間特異性[29]。雖然miRNA具有以上一些共性，但是植物和動物miRNA還是存在一些區別，首先，動物miRNA成熟體主要為22 nt，而植物miRNA成熟體主要為21 nt，這一現象在許多保守miRNA中都可以觀察到。例如擬南芥中大約有80%的miRNA成熟體為21 nt[25]；其次，動物miRNA在前體和成熟體上都表現保守性，而植物miRNA只有成熟體才表現保守性；第三，植物miRNA前體的頸環結構比動物的更大且可變性也更為多樣，其前體序列長度分布范圍64—303 bp，這也比動物miRNA前體60—75 bp的序列長度分布范圍大[20]；第四，植物和動物中miRNA和靶mRNA的結合程度及作用部位是不同的，多數植物miRNA與其作用的靶基因幾乎完全互補在靶基因的編碼區，而動物miRNA與其靶基因是以不完全配對的方式作用在靶基因的3′ UTR區[29-30]。

miRNA對靶基因的調控方式可以分為3種類型，一是miRNA對靶mRNA的直接剪切（圖2-A）；二是miRNA結合靶mRNA，抑制編碼基因的翻譯（圖2-B)；三是在轉錄水平的另一種調控方式，即miRNA靶向靶DNA，在轉錄水平沉默基因的表達（圖2-C）。miRNA與靶基因之間這種調控方式的不同，與miRNA和靶基因的互補程度有關。在靶mRNA與miRNA完全互補的情況下，miRNA則介導mRNA特異性切割；如果miRNA與靶基因存在一定的錯配堿基，miRNA則抑制靶基因的翻譯。大部分植物miRNA對靶基因的調控主要以前者為主[29]。miRNA通過轉錄后水平調控靶基因的表達[21,31-33]，當miRNA在翻譯水平上抑制靶mRNA的翻譯時，就不能在轉錄水平上直接檢測到靶基因變化，而只能在蛋白水平上被觀測。

圖2 miRNA的作用機制[20]

2 植物miRNA與環境脅迫

2.1 脅迫下部分miRNA與靶基因的作用關系

陸生植物在生長過程中會遭遇諸多不可預知的環境脅迫，如鹽堿、干旱、蟲害及病害的侵擾。固著生長的特性使植物不能像動物那樣通過移動來避免不利環境的影響，需要自身特殊機制來應對這些脅迫，已進化出極為精細復雜的生理和分子調控機制。比如，植物自身會調控某些miRNA的生成與表達，通過miRNA精確靶向mRNA分子在轉錄和翻譯水平調控編碼基因的表達，并通過基因之間的相互作用，最終抵抗逆境。圖3所示，植物對高鹽、干旱、低溫和重金屬等非生物和生物脅迫的響應過程中涉及很多miRNA，通過與靶基因作用對其脅迫過程中植物的生長發育進行調控，進而應對環境中的各種脅迫。miR398通過靶向調控2種超氧化物歧化酶CSD1與CSD2，參與植物的生物脅迫、重金屬、高鹽、干旱、紫外輻射等非生物脅迫[34-35]；干旱誘導馬鈴薯（[36]；在擬南芥中過表達miR156，轉基因植株表現出增強的抗鹽與抗滲透脅迫的能力[37]。由于大氣臭氧層的破壞，UV-B輻射對于植物的傷害越來越嚴重。在擬南芥（）、楊樹（小麥（等植物中鑒定了一些UV-B脅迫相關的miRNA。miR156/157、miR159/319、miR160、miR165/ 166、miR167、miR169、miR170/171、miR172、miR393、miR398及miR401在擬南芥和楊樹中是上調表達的[38-39]，而小麥miR395在UV-B照射下下調表達，它的靶基因APS（ATP sulfurylases）是硫同化途徑中第一個關鍵酶，miR395的表達水平依賴植物體內硫的水平，miR395上調會造成APS的表達下調，表明miR395通過調控APS來調控硫的同化。所以在UV-B的脅迫下，小麥miR395抑制表達會激發硫代謝途徑以形成足夠的硫代謝物用來保衛植物細胞逃避UV-B脅迫[40]。

2.2 植物miRNA與鹽脅迫

大約6%的可耕地受到鹽漬化危害[41]。植物體內存在諸多抵制鹽脅迫的機制，其中很多miRNA參與鹽脅迫。LIU等[42]研究擬南芥經300 mmol·L-1鹽脅迫處理下的miR156、miR159、miR394、miR165、miR394、miR393的表達量都有1.5—3倍的增長；SI等[43]通過高通量測序技術鑒定了300 mmol·L-1NaCl處理3 d的楊樹幼苗中164個保守的miRNA，屬于44個miRNA家族，在葉中有95個保守miRNA具有顯著地表達變化（56個上調，39個下調），在根中有84個上調，71個下調的表達變化。peu-miR393、peu-miR645、peu-miR860和peu-miR1444在楊樹根中呈現顯著下調，但在葉中變化不大，說明miRNA在脅迫中的表達具有組織特異性。水稻miR169家族成員被證明參與鹽脅迫，miR169g和miR169n（靶基因具有CCAAT-box的轉錄因子NF-YA）在鹽脅迫下顯著誘導；擬南芥miR169家族中一些成員也受鹽的誘導，因此，miR169被認為是鹽響應的miRNA[42,44]。熒光定量PCR檢測NaCl處理的棉花葉和根組織中的miRNA，棉花葉組織中miR156、miR157、miR159、miR172和miR397等在0.25% NaCl低鹽脅迫下呈現上調或下調的趨勢，而0.5% NaCl高鹽脅迫下其全部表現為下調；棉花根組織中miR156、miR157與miR172在低鹽脅迫下表現為上調，而高鹽脅迫下表現為下調。棉花miR397在低鹽濃度處理時，表達水平達到最低，隨著鹽濃度的升高其表達升高?？傮w來說，在鹽脅迫下，棉花miRNA的表達具有脅迫濃度依賴性[45]。擬南芥miR402受鹽誘導，過表達miR402的擬南芥植株在鹽脅迫下的種子萌發率及植株生長都要好于非轉基因植株[46]。水稻miR396c在水稻和擬南芥中的轉基因功能驗證的結果表明轉基因植株在鹽脅迫下的耐受性都降低了，而過表達擬南芥的miR396a/b（根據miRBase顯示的結果，水稻miR396c與擬南芥miR396a/b成熟體只差一個堿基）轉基因植株的耐鹽性提高了，這兩種不同的轉基因結果暗示同一miRNA家族不同成員可能在不同的植物中對脅迫抗性發揮著不同作用[47]。目前，有超過40個家族的植物miRNA與脅迫有關，其中很多涉及鹽和旱脅迫（表1），并且一些miRNA不止在一種植物中報道，表明這些miRNA在這些植物中可能具有保守功能[28,48]；但同時也有發現miRNA在不同物種中受到鹽脅迫的表達模式存在差異，表明miRNA的表達具有物種特異性（表1）。

表1 不同物種部分miRNA和靶基因及鹽脅迫下miRNA的表達情況

2.3 植物miRNA與干旱脅迫

干旱是農業生產中經常發生的主要環境脅迫。植物主要通過調控一系列干旱響應的基因適應干旱環境。迄今為止，已鑒定了大量的干旱響應基因，這些基因的編碼產物不僅在保護植物細胞免受干旱影響，而且有的會在信號轉導過程中調控其他基因的表達來響應干旱脅迫。然而這些基因如何在轉錄及翻譯水平組合在一起協調發揮功能等具體的調控機制，當前研究的并不完全，植物miRNA的發現對回答這些問題提供了一些線索。眾所周知，miRNA介導的植物響應各種脅迫是通過調控它的靶基因（主要是一些轉錄因子）來實現的，從而成為植物脅迫響應機制中的重要組成部分[58]。土豆[59]、棉花[45]、大麥[60]、芥菜[61]等植物受到干旱脅迫后，其miRNA的表達都會受到影響；高通量測序干旱脅迫下的馬鈴薯小RNA，獲得大量保守和特異的miRNA，差異表達分析的結果顯示100個已知miRNA下調表達，99個上調表達；119個物種特異的miRNA誘導表達，151個下調表達。熒光定量PCR試驗驗證了這些與干旱相關的miRNA與它們的靶基因呈現負相關，與高通量測序的結果一致[59]。此外，通過轉基因手段研究miRNA的功能是一個更為直接有效的方法。水稻miR319a轉入翦股穎，轉基因翦股穎的抗旱性提高。野生型植物缺水處理，葉片與莖稈生物量明顯少于轉基因植物[58]。有報道植物受到干旱脅迫，會通過提前開花逃避脅迫，但是這種自我保護的逃避方式會造成農業減產。有學者對這一過程中的基因展開研究，發現在擬南芥中miR172e受到光周期因子GI（光周期因子）的調控。長期干旱狀態下，GI會促進miR172e的表達量升高，進而抑制它的2個靶基因與（調控開花模式）的表達，而WRKY44蛋白與TOE1蛋白之間會相互作用，miR172e與靶基因以及這2個靶基因編碼產物之間的相互調節的關系會影響糖信號通路（sugar signalling），造成植物的提前開花。同樣，過表達miR172e的擬南芥植物也會出現與干旱脅迫同樣的表型，表明通過一系列miR172e與靶基因以及靶基因與靶基因之間的正負調控，最終導致植物在干旱狀態下表現出提前開花的逃避現象（圖4）[62]。植物miR169家族有許多成員，Wang等[63]利用基因芯片篩選到的199個陸地棉microRNA中，miRl69可能與干旱應激反應有關。然而這些成員在不同物種的干旱脅迫下的表現是不一樣的。擬南芥miR169a和miR169c在干旱脅迫下下調表達，過表達miR169a和miR169c的轉基因擬南芥植株較野生型表現出干旱更為敏感的表型；然而，番茄miR169c在干旱脅迫下上調表達，轉基因miR169c的番茄植株的抗旱性增強，氣孔導度與失水率較非轉基因植株低[64]，這些結果再次表明同一miRNA家族成員在不同物種中具有不同的作用。

圖4 擬南芥躲避干旱脅迫的調控方式

2.4 植物miRNA與重金屬脅迫

一般情況下，重金屬以環境可適濃度廣泛分布在自然界中。隨著社會發展和人類活動的加劇，包括采礦、廢氣和污水排放及重金屬使用日益增多，造成鉛、汞、鎘和鈷等生物毒性顯著的重金屬元素及化合物進入到大氣、水和土壤中。有些重金屬對于植物是必要元素，如Fe、Cu和Zn等參與植物正常的生理生化過程，而有些重金屬元素是非必要的，如Cd、Co、Hg和Al等，但不論哪一種元素，植物體內的重金屬濃度過高會觸發機體內活性氧的積累，脂質、蛋白質以及DNA物質的損害，導致機體代謝紊亂，影響植物生長，甚至死亡[65-66]。植物在響應這些脅迫過程中涉及一些精確的轉錄及轉錄后水平調控。愈多的研究結果顯示植物已進化出以信號轉導、易位、滯留等特異的內在機制抵御重金屬對植物的傷害[67]，其中miRNA的調控占有重要地位[68]。SUNKAR等[69]研究擬南芥在高銅和高鐵脅迫下，miR398的表達降低，其所調控的Cu/Zn超氧化物歧化酶靶基因表達上調，這種調控方式提高了擬南芥對重金屬脅迫的耐受性。鎘脅迫下水稻諸多miRNA的表達發生變化，微陣列芯片分離到了19個鎘脅迫應答相關的miRNA，除了miR528表達顯著上升外，miR166、miR171、miR168、miR162、miR396、miR390、miR156、miR1432、miR444等表達水平均下降[70]。擬南芥ABC運輸體對鎘（cadmium，Cd）和汞（mercury，Hg）等重金屬通過螯合作用運輸并儲存在植物細胞的液泡中來降低對植物的傷害，同時ABC運輸體基因缺失的擬南芥突變體會對Cd和Hg重金屬相當敏感[71]。而miR192靶向ABC運輸體基因，過表達miR192的水稻對Cd脅迫敏感[72]，說明miRNA在植物受到重金屬脅迫時，可以調節其作用的靶基因，其表達產物在植物體內的含量以應對環境脅迫。

2.5 植物miRNA與生物脅迫

動物miRNA介導病毒感染的抗性增強或減弱[73]。許多植物miRNA與病毒、細菌、真菌、線蟲等生物脅迫也是有相互聯系的。草酸（oxalic acid，OA）是多種植物病原真菌的致病因子。陳曉婷等[74]利用植物microRNA芯片獲得了草酸脅迫下的擬南芥3個差異表達的miR2988、miR3090和miR3131，并鑒定了與靶基因的負相關性。煙草感染病毒后，miR156、miR160和miR164被誘導表達[75]。通過miRNA-microarray方法比較小麥抗真菌和真菌敏感的2個品種在真菌感染后miRNA的表達情況。抗性品種的小麥miR2592s、miR869.1和miR169b等miRNA較敏感型小麥品種具有顯著的差異表達（200倍的差異變化），并且某些miRNA在真菌感染后第一時間產生。分析表明小麥中這些差異miRNA的靶基因很多都是與抗真菌相關的編碼基因（葡萄糖醛酸轉移酶，glucuronosyl transferase，LRR、peroxidase以及Pto kinase）[76]。Wu等[77]用類似方法檢測到玉米經真菌感染后的某些miRNA（miR811、miR829、miR845與miR408）差異性表達。在水稻中與水稻-稻瘟病菌互作相關的miRl60a和miR398b的靶基因表達與相應miRNA累積量呈負相關性，過表達miRl60a和miR398b的轉基因水稻明顯增強水稻對稻瘟病的抗性[78]。幾乎所有植物和動物都具有識別病原信號的病原識別受體（pathogen recognition receptors，PRRs）[21]。Li等[79]報道煙草的2個miRNA（miR6019和miR6020）的靶基因是TIR-NBLRR immune receptor N，miRNA在抵御病原菌感染，增強植物的生物抗性方面起調控作用。來源于擬南芥的miR159前體被修飾成人造miRNA（artificial miRNA或amiRNA），靶向2個基因沉默抑制子-蕪菁黃花葉病毒（turnip yellow mosaic virus，TYMV）的P69以及蕪菁花葉病毒（turnip mosaic virus，TuMV）的HC-Pro，分別過表達amiR-P69159和amiR-HC-Pro159的轉基因擬南芥呈現出特異性抵抗TYMV和TuMV的表型，而同時擁有這2種人工miRNA的過表達轉基因植株表現出對這2種病毒的雙抗性[80-81]。此外，miRNA也可能會通過某些信號轉導通路以響應病原菌對植物的傷害。擬南芥miR393靶向生長素信號通路中的F-box生長素受體，在受到丁香假單胞菌（）侵害后，miR393被誘導表達，使得生長素受體表達受到抑制，從而抑制了細菌生長，表明miR393可能通過生長素信號通路參與宿主抗菌進程[21,82]。綜上，生物脅迫過程中存在miRNA調節，這種調控方式對于改良農作物性狀，抵御病害具有積極而重要的意義。

3 展望

世界人口數量不斷增加，環境持續惡化，對人類生存造成極大威脅。提高在逆境下糧食品種的抗逆性迫在眉睫。科學家們一直在努力闡釋植物的抗逆機制，但是這些研究成果依然不夠成熟。miRNA在植物抗逆方面的研究和應用還有很長的路要走。

首先，過去十幾年里，計算機和深度測序技術的不斷發展[83-84]，越來越多的植物miRNA相繼被發現，又多在逆境脅迫和發育方面對miRNA表達水平進行鑒定，而miRNA的功能鑒定和調控機制方面的研究比較少。有很多植物成熟miRNA如何通過轉錄后修飾和降解影響miRNA的穩定性和活性，進而調控植物脅迫響應的生物學過程都尚未解析[85]?；诖?，未來對參與環境脅迫的miRNA的探索是非常必要的；其次，對miRNA研究廣度的不斷拓展，發現了大量的novel miRNA，但是這些novel miRNA是如何進行調控的，基本都是未知的；第三，對于已知保守的miRNA，在表達上往往呈現物種和時空的特異性，尋找出植物miRNA這種特異性的原因對于深入了解miRNA的調控機制意義重大，所以現階段對于miRNA的研究只是冰山一角，還有巨大的信息需要研究者去挖掘；第四，miRNA約占總基因的1%，這將意味著尚有許多miRNA有待發現。由于很多植物沒有基因組信息以及植物miRNA 前體結構的多變性，使得植物miRNA前體不容易獲得，這對于miRNA的功能研究是一個阻礙，雖然人工miRNA對于解決這一問題提供了一個不錯的方法。迄今為止，很多植物miRNA的表達都與環境脅迫顯著相關，其相關研究越來越多。綜上所述，植物miRNA的抗逆研究存在挑戰性，但其研究價值意義重大。

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（責任編輯 李莉）

Biological Characteristics of Plant MicroRNAs and Actions in Environmental Stresses

ZENG You-ling, YANG Rui-rui

(College of Life Science and Technology, Xinjiang University/Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, Urumqi 830046)

MicroRNA (miRNA) is an extensive class of non-coding and small molecular RNA with length about 21 nt. It is encoded by the endogenous gene and transcribed by RNA polymerase II and the precursor miRNA is processed into mature miRNA by Dicer-Like and a series of the protein complexes. miRNA mainly regulates its targets at the level of post-transcription mediated degradation of target mRNA or translation inhibition. miRNA is an important regulator of gene expression in eukaryotic cells.is the first animal miRNA discovered in(). It is essential for the growth and development ofby negative controlling the expression level of target genewith partial complementarity tomRNA in the 3′untranslated region (UTR), causing the degradation ofgene and thus inhibiting the expression ofgene.miR171 is discovered as the first miRNA in plant, which targets mRNA of Scarecrow-like (SCL) family, and thus miR171 can affect plant growth and development by negative regulating target gene expression. Plant partial miRNAs (from miR156 to miR408) are relatively conserved among different species and other miRNAs after miR408 are species-specific. Plants will encounter all kinds of unpredictably environmental stresses (salinity, drought, heavy metal, pest and pathogen infection), because of plant sessile growth, no moving to avoid the adversely environmental effects like animals. Therefore, it is necessary for plants to cope with these stresses with their special mechanisms. Actually, plants grown chronically in the stressed environments have evolved highly complicated and delicate physiological and molecular mechanisms. Studies have showed that miRNA and its target genes are the main regulatory factors in response to various stresses. miRNAs play important roles in regulating the expression of endogenous resistance genes by involving in plant growth and development, signal transduction, protein degradation, nutrient deficiency, preventing pathogen invasion and adapting to high salt- and drought-stressed environments as well. So far, lots of miRNAs are identified and have significantly differential expression by next-generation deep sequencing, advanced bioinformatics and real-time quantitative PCR technologies in response to environmental stresses; and the plants show the resistant or sensitive phenotypes by microRNA-based transformation. The different members of miRNA family responding to environmental stresses are also taken on being species-specific. It is well-known that China’s Xinjiang is a kind of typical continental arid climate with a low annual rainfall and more acid areas. In such harsh environments, some extremely salt- and drought-tolerant halophytes and xerophytes can still survive healthy and strong. It is very essential to study deeply how plant miRNAs play regulatory roles in coping with environmental stresses. This paper mainly summarizes plant miRNA biosynthesis, the modes of actions with target genes and research status of some miRNAs involving in the abiotic and biotic stresses. Some prospects are expected by microRNA-based biotechnology.

plant microRNAs; biosynthesis; mechanism; environmental stresses

2016-04-28；接受日期：2016-06-06

國家自然科學基金（31160186）、新疆維吾爾自治區自然科學基金（2015211C274）

曾幼玲，E-mail：zeng_ylxju@126.com