鄭佳秋 吳永成 王薇薇 梅燚 祖艷俠 郭軍 劉云芬

摘要：植物長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一類廣泛存在的長度大于200 nt的非編碼RNA調(diào)控分子，通過目標(biāo)模擬、轉(zhuǎn)錄干擾、甲基化等機(jī)制調(diào)控真核生物基因表達(dá)。植物體內(nèi)的許多l(xiāng)ncRNA受外界脅迫的誘導(dǎo)或抑制，并作用于逆境相關(guān)基因，影響植物形態(tài)和生理生化進(jìn)而產(chǎn)生對脅迫的應(yīng)答。從植物lncRNA的合成、分子水平的作用方式、與植物生物和非生物脅迫逆境的響應(yīng)機(jī)制等方面闡述了長鏈非編碼RNA參與調(diào)控植物的抗逆機(jī)制，并提出了今后的研究方向，以期為植物逆境應(yīng)對及抗逆新品種選育提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：lncRNA;植物形態(tài);生物脅迫;非生物脅迫

中圖分類號(hào)： Q943.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）04-0019-04

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一類非編碼的內(nèi)源RNA分子，在植物中普遍轉(zhuǎn)錄，成熟的lncRNA長度大于200 nt[1-2]。在對小鼠的測序分析中首次被提出[3]。目前在擬南芥、玉米、水稻、小麥等植物中已鑒定了大量lncRNA[4-5]，隨著植物lncRNA數(shù)量的增加，相關(guān)的數(shù)據(jù)庫也增多，其中NONCODE數(shù)據(jù)庫中提供了大量的植物lncRNA的詳細(xì)信息[6]。相較于哺乳動(dòng)物，植物lncRNAs方面的研究才剛剛起步，但已有研究發(fā)現(xiàn)，lncRNAs參與植物的生殖發(fā)育和環(huán)境脅迫響應(yīng)。如低溫脅迫誘導(dǎo)反義轉(zhuǎn)錄本COOLAIR表達(dá)量的增加，增加的COOLAIR會(huì)抑制FLC基因的表達(dá)，進(jìn)而參與擬南芥的春化過程[7-8]。在干旱和鹽分等逆境脅迫下擬南芥中的lncRNA表達(dá)量明顯改變，進(jìn)一步證實(shí)lncRNAs參與了環(huán)境脅迫的應(yīng)答[9]。本文通過總結(jié)國內(nèi)外植物lncRNAs的相關(guān)研究進(jìn)展，以期通過lncRNA的作用機(jī)制來探索蔬菜抗逆的研究思路，以期為抗逆新品種選育和改良提供理論指導(dǎo)。

1?lncRNA的合成與作用方式

1.1?lncRNA的合成

植物中l(wèi)ncRNAs主要由RNA聚合酶Ⅱ和聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄形成，還有一部分通過RNA聚合酶Ⅳ和聚合酶Ⅴ轉(zhuǎn)錄形成，主要定位在細(xì)胞核中[10]。大多數(shù)lncRNA具有5′帽子和3′poly（A）尾巴存在可變剪接位點(diǎn)[11-12]，因此可用轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）技術(shù)來大量篩選lncRNA。除了以上lncRNA合成經(jīng)典模式外，lncRNA還可以通過以下途徑合成[13]：（1）在基因組中插入1個(gè)轉(zhuǎn)座原件或通過編碼蛋白基因插入1次框后與前一編碼序列合并可以產(chǎn)生有功能的lncRNA;（2）外顯子lncRNA可以在染色體重排后，由原來距離較遠(yuǎn)的非轉(zhuǎn)錄片段串聯(lián)產(chǎn)生。目前這些非經(jīng)典合成途徑在動(dòng)物中報(bào)道的較多，但也不排除植物中也有類似途徑。然而，lncRNA選擇合成途徑的不同是否會(huì)導(dǎo)致與靶基因的協(xié)同表達(dá)模式的不同進(jìn)而產(chǎn)生其他生物學(xué)意義還有待進(jìn)一步研究。

1.2?lncRNA的作用方式

lncRNA廣泛存在于真核生物中，其作用機(jī)制與功能多種多樣。lncRNA可以作為誘餌分子結(jié)合miRNA，調(diào)控mRNA的表達(dá);結(jié)合DNA發(fā)揮反式引導(dǎo)分子作用;也可以結(jié)合多個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)揮支架作用[14-15]。目前l(fā)ncRNA在分子水平的作用機(jī)制可歸納為以下4種方式：（1）lncRNA通過抑制RNA聚合酶Ⅱ[16]或者結(jié)合mRNA后與Dicer酶共同作用[17]以及在蛋白編碼基因上游區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)錄等方式來影響基因的表達(dá);（2）lncRNA可作為miRNA、siRNA等小RNA的生物合成前體;（3）通過影響mRNA產(chǎn)生不同的剪切形式來產(chǎn)生作用;（4）結(jié)合特定蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)其活性進(jìn)而改變細(xì)胞質(zhì)定位。

2?植物lncRNAs與逆境響應(yīng)

植物在逆境下自身代謝、生理和生長會(huì)產(chǎn)生不同的變化進(jìn)而來響應(yīng)脅迫。植物lncRNAs在逆境脅迫中起調(diào)節(jié)因子的作用，通過模擬靶標(biāo)、干擾轉(zhuǎn)錄和DNA甲基化等機(jī)制來影響基因表達(dá)。已有研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥在低氧[18]、光[19]、高溫[20]和低磷[21]的脅迫下，小麥在高溫[22]逆境下，狐尾草[23]、香蕉[24]、白楊[25]和玉米[26]在干旱脅迫下，毛地黃[27]和土豆[28]在低溫逆境以及苜蓿[29]在鹽脅迫下，均有l(wèi)ncRNAs參與脅迫響應(yīng)，表明植物中的lncRNA廣泛參與非生物脅迫。在小麥感染白粉病和熱脅迫下也發(fā)現(xiàn)了125個(gè)lncRNAs[22]，說明植物lncRNAs在病原菌感染和脅迫中能夠作出應(yīng)答。然而生物互作的存在導(dǎo)致致病機(jī)制不清晰，使得lncRNA響應(yīng)生物脅迫和病菌的研究結(jié)果相對較少。

2.1?植物lncRNAs與非生物脅迫逆境

植物在非生物脅迫下會(huì)啟動(dòng)一系列的信號(hào)通路來改變形態(tài)和生理生化。在逆境脅迫下，lncRNAs的表達(dá)可能比編碼蛋白質(zhì)的mRNA更加活躍[30-31]。在干旱和鹽脅迫下，lncRNA表達(dá)量會(huì)迅速增加[31]，調(diào)節(jié)植物適應(yīng)不同環(huán)境。lncRNA IPS1和AT4在磷脅迫下誘導(dǎo)表達(dá)，通過影響miRNA399的活性，來調(diào)節(jié)磷酸含量的動(dòng)態(tài)平衡[32]。

擬南芥在干旱、低溫和鹽等脅迫處理后，有1 832 個(gè)lncRNAs的表達(dá)發(fā)生了明顯變化[9]。lncRNA-At5NC056820過表達(dá)轉(zhuǎn)入擬南芥中，轉(zhuǎn)基因植株能夠在一定程度上提高擬南芥的耐旱性[33]。通過高通量測序發(fā)現(xiàn)，苜蓿中存在大量的響應(yīng)滲透、鹽脅迫的lncRNAs，它們與蛋白質(zhì)編碼基因共同作用來調(diào)節(jié)逆境脅迫[34]?；谌蚪M在木薯中鑒定到了響應(yīng)低溫和干旱脅迫的lncRNAs[35]。劉偉婳在野生蕉低溫脅迫過程中獲得了12 462條lncRNAs，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在脅迫過程中l(wèi)ncRNAs對差異表達(dá)基因的調(diào)控起重要作用[36]。野生蕉lncRNAs與其靶基因之間存在復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系，既有正調(diào)控，也有負(fù)調(diào)控。擬南芥中Npc536是一種天然反義轉(zhuǎn)錄物（NATs lncRNA），在干旱、鹽和冷害等脅迫環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，如鹽脅迫下過表達(dá)植株主根和側(cè)根生長明顯加快，在缺磷環(huán)境下，Npc536表達(dá)量會(huì)增加[37]。

2.2?植物lncRNAs與生物脅迫逆境

植物lncRNAs不僅廣泛參與非生物脅迫應(yīng)答還參與生物脅迫的響應(yīng)過程。高通量測序結(jié)果表明，植物體內(nèi)大多數(shù)lncRNAs受到外界生物脅迫的誘導(dǎo)或抑制，如番茄中l(wèi)ncRNA16397可以通過減少活性氧的積累保護(hù)膜損傷進(jìn)而來增強(qiáng)對疫霉病的抗性[38]。基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析土豆感病和抗病品種時(shí)發(fā)現(xiàn)，有559個(gè)長基因間非編碼RNA（lincRNAs）對軟腐病菌有響應(yīng)[39]。已報(bào)道在甘藍(lán)型油菜[40]和擬南芥中[41]分別發(fā)現(xiàn)響應(yīng)核盤菌菌核病和響應(yīng)尖孢鐮刀菌的lncRNA。Wang等在獼猴桃研究中發(fā)現(xiàn)，lncRNAs可能會(huì)影響獼猴桃感染假單胞菌，推測在蛋白編碼區(qū)域和非編碼區(qū)域能夠調(diào)控獼猴桃對假單胞菌的感染[42]。在感染小麥條銹病的小麥中鑒定出4個(gè)lncRNAs（Tal-ncRNA18、Tal-ncRNA73、Tal-ncRNA106、Tal-ncRNA108），通過表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)它們可能在調(diào)整或沉默蛋白編碼基因進(jìn)入病原體防御反應(yīng)中起作用[43];Zhang等通過沉默棉花中的GhlncNAT-ANX2和GhlncNAT-RLP7來增強(qiáng)植株對棉花黃萎病病菌和灰霉病病菌的抗性[44]。

3?結(jié)語與展望

隨著高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多植物中的lncRNAs正在被發(fā)現(xiàn)。目前，在草本植物如向日葵[45]、草莓[46]、白菜[47]、豆科類[48]、黃瓜[49]等，以及木本植物如茶[50]、葡萄[51]、毛白楊[52]等植物中都進(jìn)行了大量的lncRNAs鑒定和表達(dá)分析。然而，目前的研究大多集中在lncRNAs的初歩鑒定和功能方面，其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制方面的研究還未見報(bào)到。現(xiàn)已明確lncRNA具有保守性差、表達(dá)量低但組織特異性強(qiáng)的特點(diǎn)，如對茄科植物lncRNAs的序列分析發(fā)現(xiàn)，不同物種之間lncRNAs的序列保守性很低，如lncRNA-314在普通番茄和醋栗番茄中特異表達(dá)，而在潘那利番茄（Solanum pennellii）中則不表達(dá)[53]。在全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行水稻lncRNA的鑒定和分析發(fā)現(xiàn)，這些lncRNAs與哺乳動(dòng)物的lncRNAs相比具有很高的組織特異或階段特異表達(dá)性[5]?；谌蚪M進(jìn)行黃瓜lincRNAs研究，lincRNAs和mRNAs之間的共表達(dá)分析表明它們參與應(yīng)激響應(yīng)和多個(gè)生物學(xué)過程，分子進(jìn)化的研究發(fā)現(xiàn)，至少有16個(gè)lincRNAs受自然選擇作用，其中一部分受正選擇和平衡選擇作用[50]。由于lncRNAs表達(dá)水平低，為探索其在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控基因表達(dá)的作用機(jī)制可通過干擾lncRNAs的表達(dá)模式來進(jìn)行[54-56]。

lncRNAs在動(dòng)物中表現(xiàn)出的多種功能使研究者更加重視lncRNAs的研究。近年來植物lncRNAs的相關(guān)研究也逐漸加快，已證實(shí)植物lncRNAs參與植物成花轉(zhuǎn)變、花粉發(fā)育、逆境脅迫以及其他多個(gè)生物學(xué)過程，但與哺乳動(dòng)物相比，研究者對lncRNAs參與植物生長發(fā)育全過程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和分子進(jìn)化機(jī)制還知之甚少。通過梳理近年來研究過的植物lncRNAs發(fā)現(xiàn)，植物在結(jié)構(gòu)、起源及分子功能上，都與動(dòng)物具有一定的相似性，并逐漸顯示出一些其特有的規(guī)律性[57]。目前植物lncRNAs的研究空間還很大，因此關(guān)于lncRNAs參與調(diào)控逆境機(jī)制的研究今后可以從以下2個(gè)方面入手：（1）利用現(xiàn)代較為成熟的高通量測序技術(shù)，基于全基因組，從轉(zhuǎn)錄組水平進(jìn)行植物抗逆相關(guān)的lncRNAs大規(guī)模挖掘;（2）利用生物信息學(xué)分析技術(shù)對已獲得的lncRNAs進(jìn)行靴基因預(yù)測、與mRNAs的共表達(dá)分析及模擬miRNA內(nèi)源偽靶基因的辨析，為深入的lncRNA功能性鑒定提供基礎(chǔ)。

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