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lncRNA调控玉米生长发育和非生物胁迫研究进展

杜庆国, 李文学

植物学报 2024, 59 (6): 950-962. DOI: 10.11983/CBB24075

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长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA)广泛存在于真核生物基因组中, 在维持生物体正常生命活动中发挥重要作用。近年来, 通过高通量测序和生物信息学分析在植物中发掘到大量的lncRNA。已有研究证实lncRNA在调控植物生长发育和逆境响应中发挥重要作用。由于基因组复杂且遗传操作过程繁琐, lncRNA在玉米(Zea mays)中的研究远落后于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)。玉米作为我国主要粮食作物, 对于保障国家粮食安全至关重要。玉米还是遗传学与基因组学领域重要的模式植物。了解lncRNA在玉米中的研究进展有助于理解lncRNA的生物学功能。挖掘并解析lncRNA参与玉米生长发育和逆境响应的分子调控网络, 可为玉米遗传改良提供新的分子靶点。该文总结了lncRNA的来源、分类和作用机制, 并讨论了玉米中lncRNA的发掘及其在调控生长发育和逆境响应中的生物学功能, 最后展望了lncRNA在玉米中的研究方向。

lncRNA ID	lncRNA分子调控机制	功能	参考文献
ZM401	调控花粉发育关键基因ZmADS2、MZm3-3和ZmC5的表达	花粉发育	Ma et al., 2008
GARR2	调控赤霉素和生长素通路中相关基因的表达	响应赤霉素, 调控株高	Li et al., 2022a
cis-NAT_ZmNAC48	负调控ZmNAC48的表达, 影响叶片气孔关闭	干旱	Mao et al., 2021
MSTRG8888.1	通过靶向bHLH转录因子, 影响下游耐盐相关基因的表达	盐胁迫	Liu et al., 2022
PILNCR1	作为竞争性内源RNA分子结合ZmmiRNA399, 并抑制ZmmiRNA399对靶基因ZmPHO2的切割	磷酸盐胁迫	Du et al., 2018
PILNCR2	与ZmPHT1s形成双链结构, 保护ZmPHT1s不被ZmmiR399切割	磷酸盐胁迫	Wang et al., 2023

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表2 玉米长链非编码RNA (lncRNA)的功能

正文中引用本图/表的段落

基于RNA-seq和生物信息学分析, 在玉米中已发掘到大量的lncRNA转录本。尽管对这些lncRNA的功能和调控机制研究较少, 但有限的证据表明lncRNA在玉米生长发育及胁迫应答中发挥重要作用(表2)。

以半矮秆育种为标志的“绿色革命”极大地提高了世界主要粮食作物的产量。水稻和小麦的“绿色革命”基因均与赤霉素密切相关。玉米中lncRNA GARR2来源于Gypsy类逆转座子, 其上游存在赤霉素响应元件P-boxes, 参与调控赤霉素响应途径。敲除GARR2导致玉米体内赤霉素和生长素通路相关基因的表达发生变化, 并引起株高和第2叶鞘的长度增加, 以及内源GA₃水平升高; 通过RNA pull down实验发现HECT泛素连接酶基因ZmUPL1可作为GARR2的潜在靶标基因, ZmUPL1的mRNA丰度和蛋白含量在GARR2敲除植株中均增加(Li et al., 2022a)。拟南芥UPL突变体对外源GA₃高度敏感(Downes et al., 2003)。上述结果暗示GARR2可作为改良玉米株型的一个潜在靶标。

植物缺磷是全球农业生产中普遍面临的问题。深入理解植物适应磷胁迫的生理及分子机制, 充分挖掘作物自身吸收和利用磷素的生物学潜力, 有助于实现磷肥的高效利用。miRNA399是第1个被发现响应低磷胁迫的植物miRNA, 其特异性受低磷胁迫诱导表达(Fujii et al., 2005)。拟南芥和水稻中, miRNA399通过负调控其靶标E2泛素结合酶基因UBC24 (PHO2)的表达参与调节体内磷酸盐平衡(Chiou et al., 2006; Lin et al., 2008; Hu et al., 2011)。当土壤中磷酸盐含量充足时, PHO2将多聚泛素连接到底物蛋白PHO1 (PHOSPHATE1)以及PHT1 (PHOSPHATE TRANSPORTER1)上, 促进PHO1和PHT1降解, 从而保障植物维持最适的磷酸盐吸收和转运效率(Huang et al., 2013)。在miRNA399过表达转基因拟南芥和水稻中, 由于PHO2转录本减少, 减弱了对PHO1和PHT1蛋白的泛素化降解, 使根系磷酸盐的吸收能力增强, 并导致植株地上部积累过量的磷酸盐, 从而出现老叶枯黄坏死的磷中毒表型(Aung et al., 2006; Hu et al., 2011)。在miRNA399-PHO2通路中, 拟南芥lncRNA IPS1与其同源基因At4受低磷诱导表达, IPS1作为竞争性内源RNA分子通过碱基序列互补与靶基因PHO2竞争性结合miRNA399, 从而抑制miRNA399对PHO2的切割(Franco-Zorrilla et al., 2007)。

Wang等(2023)通过生物信息学分析和5?-RACE 实验证实, 玉米体内ZmPHT1s也可作为ZmmiR399的靶基因; 同时发现在ZmPHT1;1反义链可以产生lncRNA PILNCR2。PILNCR2主要位于细胞质中, 其转录依赖于RNA聚合酶II。RNA-RNA互作实验、核糖核酸酶保护实验以及烟草瞬时表达实验证实, 玉米体内PILNCR2与ZmPHT1s可形成双链结构, 进而保护ZmPHT1s不被ZmmiR399切割; PILNCR2过表达增强了玉米对磷酸盐的吸收能力(Wang et al., 2023)。上述研究表明, lncRNA与miRNA互作对于玉米适应低磷胁迫具有重要意义。

在动物中lncRNA作为信号分子、诱饵分子、引导分子和支架分子等, 通过顺式(cis)和反式(trans)作用调控靶标基因的表达(Wang and Chang, 2011).已有研究证实植物中lncRNA也可通过类似的方式发挥作用.其作用机制可归纳为6个方面(图2). ...

Origins and evolving functionalities of tRNA-derived small RNAs

2021

... 真核生物基因组中高达90%的区域可被转录, 这些转录产物大部分为非编码RNA (non-coding RNA, ncRNA).人类基因组中仅有不到2%的转录产物具有蛋白编码功能(Djebali et al., 2012).根据转录本长度, 可将ncRNA分为小分子非编码RNA (small non-coding RNA, sRNA)和长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA) (Kim and Sung, 2017).sRNA可进一步细分为miRNA (microRNA)、siRNA (small interfering RNA)、piRNA (PIWI-interacting RNA)和tsRNA (transfer RNA-derived small RNA)等.miRNA和siRNA长度为20-30 nt, 通过介导RNA诱导的沉默复合体在转录后水平或蛋白水平负调控靶基因的表达; piRNA长度为24-33 nt, 通过引导与其互作的PIWI蛋白降解靶标转录本; tsRNA由tRNA经切割加工得到, 通过调控RNA结合蛋白(RNA-binding proteins, RBP)与靶标mRNA结合, 进而影响靶标mRNA的表达水平(Chen et al., 2021; Chen and Rechavi, 2022; Zhan and Meyers, 2023).lncRNA通常被定义为长度超过200 nt且不具有蛋白编码能力的转录本(Ng et al., 2013).由于其表达水平较低且保守性低, lncRNA一直被认为是转录噪音.20世纪90年代, Brannan等(1990)证实lncRNA H19参与小鼠胚胎发育, 这是最早报道具有明确生物学功能的lncRNA.随后, 越来越多的实验证实lncRNA在胚胎发育、细胞分化与凋亡、免疫反应、疾病和肿瘤发生等多种生命活动中发挥重要的调控作用(Shi et al., 2013; Ariel et al., 2015; Palazzo and Koonin, 2020).lncRNA逐渐成为生命科学新兴的研究方向与热点.环状RNA (circular RNA, circRNA)是RNA领域新兴的研究热点, 其在细胞生理和疾病发生中起重要调控作用.CircRNA不具有5′末端帽子和3′末端poly(A)尾巴结构, 来源和作用方式与lncRNA存在显著区别.本文将重点介绍lncRNA在玉米(Zea mays)中的研究进展. ...

Plant and animal small RNA communications between cells and organisms

2022

Regulation of phosphate homeostasis by microRNA in Arabidopsis

2006

... 植物缺磷是全球农业生产中普遍面临的问题.深入理解植物适应磷胁迫的生理及分子机制, 充分挖掘作物自身吸收和利用磷素的生物学潜力, 有助于实现磷肥的高效利用.miRNA399是第1个被发现响应低磷胁迫的植物miRNA, 其特异性受低磷胁迫诱导表达(Fujii et al., 2005).拟南芥和水稻中, miRNA399通过负调控其靶标E2泛素结合酶基因UBC24 (PHO2)的表达参与调节体内磷酸盐平衡(Chiou et al., 2006; Lin et al., 2008; Hu et al., 2011).当土壤中磷酸盐含量充足时, PHO2将多聚泛素连接到底物蛋白PHO1 (PHOSPHATE1)以及PHT1 (PHOSPHATE TRANSPORTER1)上, 促进PHO1和PHT1降解, 从而保障植物维持最适的磷酸盐吸收和转运效率(Huang et al., 2013).在miRNA399过表达转基因拟南芥和水稻中, 由于PHO2转录本减少, 减弱了对PHO1和PHT1蛋白的泛素化降解, 使根系磷酸盐的吸收能力增强, 并导致植株地上部积累过量的磷酸盐, 从而出现老叶枯黄坏死的磷中毒表型(Aung et al., 2006; Hu et al., 2011).在miRNA399-PHO2通路中, 拟南芥lncRNA IPS1与其同源基因At4受低磷诱导表达, IPS1作为竞争性内源RNA分子通过碱基序列互补与靶基因PHO2竞争性结合miRNA399, 从而抑制miRNA399对PHO2的切割(Franco-Zorrilla et al., 2007). ...

Antisense COOLAIR mediates the coordinated switching of chromatin states at FLC during vernalization

2014

... 为方便学术成果分享, 对lncRNA的分类和功能注释至关重要.根据lncRNA在基因组中与邻近编码蛋白基因的位置关系, 可将lncRNA分为基因间lncRNA (intergenic lncRNA, lincRNA)、正义链lncRNA (sense lncRNA)、天然反义链lncRNA (natural antisense lncRNA, NATs)、内含子lncRNA (intronic lncRNA)和双向lncRNA (bidirectional lncRNA) (图1) (Hermans-Beijnsberger et al., 2018).目前已知的植物功能性lncRNA类型主要为lincRNA (如PROMPTs、HID1和MISSEN)、NAT (如MAS、COOLAIR、cis- NAT_PHO1;2及LAIR)和内含子lncRNA (如COLDAIR) (Heo and Sung, 2011; Jabnoune et al., 2013; Csorba et al., 2014; Wang et al., 2014, 2018; Kim and Sung, 2017; Zhao et al., 2018; Song et al., 2019; Zhou et al., 2021).正义链lncRNA与双向lncRNA是否参与植物生长发育和逆境胁迫响应还有待进一步证实. ...

A long noncoding RNA regulates photoperiod-sensitive male sterility, an essential component of hybrid rice

2012

... 花粉发育是植物有性生殖的基础, 其正常与否直接影响植物的育性和产量.水稻lncRNA LDMAR是长日照条件下花粉正常发育的重要调节子.LDMAR转录本789 bp处的SNP位点可改变该lncRNA的二级结构, 使其启动子区域的甲基化程度增高, 进而特异性降低了LDMAR在长日照条件下的转录水平, 使未发育成熟的花药过早地发生程序性细胞死亡, 最终导致光温敏雄性不育(Ding et al., 2012).玉米中也存在调节花粉发育的lncRNA, 如雄穗特异性表达lncRNA ZM401.ZM401在花粉发育过程中表达量逐渐增加, 花粉成熟时表达量最高; ZM401敲减显著影响花粉发育关键基因ZmADS2、MZm3-3和ZmC5的表达, 导致小孢子和绒毡层发育异常, 最终造成玉米雄性不育(Ma et al., 2008). ...

Landscape of transcription in human cells

2012

The HECT ubiquitin-protein ligase (UPL) family in Arabidopsis: UPL3 has a specific role in trichome development

2003

... 以半矮秆育种为标志的“绿色革命”极大地提高了世界主要粮食作物的产量.水稻和小麦的“绿色革命”基因均与赤霉素密切相关.玉米中lncRNA GARR2来源于Gypsy类逆转座子, 其上游存在赤霉素响应元件P-boxes, 参与调控赤霉素响应途径.敲除GARR2导致玉米体内赤霉素和生长素通路相关基因的表达发生变化, 并引起株高和第2叶鞘的长度增加, 以及内源GA₃水平升高; 通过RNA pull down实验发现HECT泛素连接酶基因ZmUPL1可作为GARR2的潜在靶标基因, ZmUPL1的mRNA丰度和蛋白含量在GARR2敲除植株中均增加(Li et al., 2022a).拟南芥UPL突变体对外源GA₃高度敏感(Downes et al., 2003).上述结果暗示GARR2可作为改良玉米株型的一个潜在靶标. ...

The PILNCR1-miR399 regulatory module is important for low phosphate tolerance in maize

2018

... Function of long non-coding RNA (lncRNA) in maize

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