miRNA及其靶基因对水稻生长发育的调控作用

　　植物 miRNA 是长度约为 22 nt 的小 RNA,它通过与 RNA 诱导沉默复合体（ RNA-induced silencingcomplex,RISC） 结合，切割靶 mRNA,抑制靶 mRNA的翻译或介导靶 DNA 甲基化来调控基因的表达[1,2]. 自 1993 年，Lee 等[3]从 秀 丽 线 虫（ Caenorhabditis elegans） 中发现第 1 个 miRNA Lin-4以来，利用分析 miRNA 文库、高通量测序、直接克隆等方法发现的 miRNA 数量呈几何级数增长[4-6]. 在进化过程中，植物 miRNA 的发生和作用机制不同于动物 miRNA,多数植物 miRNA 起源于靶基因的反向重复[7],还有一些起源于 miRNA 的串联重复和片段重复[8]. 尽管不同植物中存在许多保守的和特异性表达的 miRNA,但它们对植物的信号传导、生长发育、形态建成、胁迫应答等过程都起着非常重要的作用。

　　作为全球主要的粮食作物，水稻产量直接关系着粮食安全。 水稻种子发育、分蘖、光合作用面积和营养物质的运输等都是影响产量的重要因素。 虽然一些关于水稻产量性状的基因已经被鉴定，但是我们对其形成的机制和调控网络了解还有限。 miRNA的发现补充了研究人员对水稻基因调控机制的理解，展现了细胞内基因表达多层次、全方位的调控系统。 深入了解 miRNA 及其靶基因对水稻生长发育的调控作用，为提高水稻产量和培育新的种质资源提供线索和思路。

　　1 水稻 miRNA 的发生和作用模式

　　水稻 miRNA 的发生和作用模式同大部分植物相似。 在植物中，多数 miRNA 基因 Mir 定位于基因间隔区，细 胞 核 内 MIR 主 要 在 RNA 聚 合 酶 II（ Pol-Ⅱ） 的作用下转录为具有发卡结构的初级转录本（ pri-miRNA）[9,10]; 随后在双链 RNA 结合蛋白HYL1 （ hyponastic leaves1 ）[11]、锌 脂 蛋 白 SE（ Serrate）[12]、G 端结合蛋白 TGH（ touch）[13]等蛋白的作用下，pri-miRNA 被双链 RNA 专一性内切酶DCL （ dicer-like ） 切 割 生 成 茎 环 状 前 体 pre-miRNA[14]; 紧接着 DCL 在 pre-miRNA 的茎环处进行第二次切割，形成 miRNA 双链聚合体 miRNA/miRNA* （ miRNA* 为反义链）[15]; 然后甲基转移酶HEN1（ hua enhancer1 ） 对 miRNA / miRNA * 进行甲基化修饰，防止其降解； 修饰后的 miRNA/miRNA*在转运蛋白 HST（ hasty） 的作用下从细胞核输出到细胞质中[16]. 在细 胞质中，miRNA 双链聚合体解旋，反义链 miRNA* 被降解，成熟的单链 miRNA 结合到含有 AGO（ argonaute） 蛋白和 RNA 解旋酶的RNA 诱导沉默复合体（ RISC） 中，指导靶基因的表达[17,18].

　　一般来说，miRNA 能够通过多种机制发挥调控功能。 许多 miRNA 通过同靶 mRNA 碱基完全互补配对，介导 RISC 识别并切割靶 mRNA,然后在核糖核酸外切酶的作用下降解。 当 miRNA 与靶 mRNA的碱基不完全配对时，miRNA 通过抑制 mRNA 的翻译来调控基因的表达[19]. 在水稻中还发现了一种由DCL3 切割产生的长度为 24 nt 的 lmiRNA （ long-miRNA） ,它能够选择性地结合到含有 AGO4 蛋白的RISC 中，然后募集甲基转移酶引起靶 DNA 的甲基化，从而在转录水平上调控目的基因表达[20]. 另外，miRNA 也能介导 ta-siRNA（ trans-acting siRNA）的产生[21].

　　2 水稻 miRNA 靶基因的预测

　　靶基因的准确寻找和定位是诠释 miRNA 功能的重要途径。 以往基于克隆、荧光素酶法和生物信息学等方法预测和鉴定了大量的 miRNA 靶基因。 但是这些方法都有一定的局限性，如生物信息学测序检测出的 miRNA 靶基因存在大量的假阳性； 荧光素酶法、克隆等方法操作繁琐且耗时费力等等。 随着高通量测序技术的发展，出现了一种结合了高通量测序技术、生物信息学分析和 RACE 验证技术三者优势相结合的检测方法，称为降解组测序技术[22]. 该技术基本可分为3 步： 首先，构建一个包含靶基因3‘端剪切片段的文库； 其次，对该文库进行高通量测序；最后，对该数据进行生物信息学分析，确定潜在miRNA 的靶基因。 目前该技术已经成功应用于拟南芥[23]、水稻[24]、玉米[25]等植物的 miRNA 靶基因的检测。 Li 等[26]用降解组测序技术发现了水稻中 53个 miRNA 家族的 160 个靶基因，其中包括在水稻生长发育中起重要作用的 miR156/172/ 160/164/167 /393 及其靶基因，为进一步研究 miRNA 及其靶基因在水稻中的调控作用打下了基础。