茶葉風(fēng)味與香氣形成機(jī)理綜述

金立成

RNA和DNA究竟如何形成的？

這就有必要進(jìn)一步從最原始的，起源來加以闡明原始RNA和DNA之間定量關(guān)系。眾所周知，世界人類基因科學(xué)界為測(cè)定人類DNA基因組密碼子測(cè)序作了大量的研究，最終通過蛋白質(zhì)的測(cè)序確認(rèn)人類DNA中能夠“編輯”出蛋白的有效基因數(shù)為3萬多個(gè)，比起線蟲多出2萬個(gè)，比果蠅多1萬個(gè)；故有人說人類基因沒啥優(yōu)越性！但是作者發(fā)現(xiàn)人類基因有至高無上的二個(gè)特色：

一是，在人類基因組中充滿著富含C+G, T+A (G)，C+A的密碼子鏈段;越高級(jí)的生物越富含C+G密碼子;。

二是，人類基因有長鏈的DNA之前，先有RNA,后有DNA，并分別進(jìn)入46個(gè)染色體中,使染色體的數(shù)量的增殖方式極為特殊。

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生物初始生態(tài)基因RNA,后形成DNA的過程。

當(dāng)代基因科學(xué)界到目前為止不知道為何先有人類初生態(tài)第-批RNA,而后才形成DNA的?同樣也不知道和它所對(duì)應(yīng)的第一批蛋 白體是如何形成的。作者對(duì)此在前幾文中有過討論，但是看來還有必要進(jìn)一步探討這個(gè)問題，

其中最重要的是在地球上先形成“生命的化學(xué)湯”。在遠(yuǎn)古，地球，上開始沒有生命的物質(zhì)，是無機(jī)世界，但在生命的化學(xué)演化過程中靠自然界，光，電，熱，尤其在生命動(dòng)力源的一系列含水絡(luò)合離子群(Na, R, Ca, Mg, Sr， Sc, T, V, Cr, Mn,Fe，Co，N, Cu, Zn, ......的催化、激活動(dòng)力作用下，在“生命的化學(xué)湯”里形成了足夠的腺嘌呤(A),烏嘌呤(G),胸腺嘧啶(T)，或尿嘧啶(U)及胞嘧啶(C)的聚磷酸核甘(脫氧)單體及二十種氨基酸。不過這只是基本的生命物質(zhì)的原料而已，當(dāng)代生命科學(xué)和基因科學(xué)，如果不用上述五種堿基的內(nèi)聚能(密度)大小概念，那么可以說人類永遠(yuǎn)不可能知道人類自己身上的DNA，RNA是究竟如何來的!當(dāng)下最幸運(yùn)的是我們有了五種堿基內(nèi)聚能計(jì)算的方法及其、有關(guān)的數(shù)據(jù)。

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表中(雙)指具有雙環(huán)的內(nèi)聚能密度值。ψ

通常DNA中的堿基為T、A、C. G,而在RNA中的堿基為U、A. C、G。但嚴(yán)格地來說，由于∪, T的氫鍵能力，每原子的凈電荷幾乎相同，兩種堿基的基態(tài)的π鍵級(jí)都十分接近，故在DNA及RNA中T和U可以共存，且在轉(zhuǎn)錄過程中保證T-→U,故在通常討論中不再嚴(yán)格區(qū)分T或U。不過在DNA中T比U多，而在RNA中T很少1以上五種堿基的內(nèi)聚能密度的數(shù)據(jù)為我們?nèi)祟惲私庾陨淼腄NA，RNA 是如何來的，提供了最重要的信息，通過大量的研究，五種堿基的內(nèi)聚能密度起到下列三大功能:。

1.1內(nèi)聚能密度的第- 大功能:定量地說明了基因密碼子可簡并的根本原因。首次知道了反密碼子三聯(lián)體中心堿基的內(nèi)聚能大小決定了64種密碼子對(duì)20種氨基酸的簡并性:二十種氨基酸，按其內(nèi)聚能密度的大小，分別對(duì)應(yīng)到具有同- -大小內(nèi)聚能密度的堿基上，可以圓滿地解釋了本文開頭講的當(dāng)代基因科學(xué)遇到的最大難點(diǎn)之一, 就是為什么二十種氨基酸分別同上述五種堿基有密切匹配的根本原因!。

1.1.1以腺嘌呤(A)為中心堿基(Y)的聚磷酸酯氨基酸三聯(lián)核苷酸鹽v

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miRNAs植物與環(huán)境相互作用

miRNAs是植物發(fā)育過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子。miRNAs在植物發(fā)育中的作用已經(jīng)有了很好的綜述。在本文中，研究者總結(jié)了miRNAs在表型可塑性、非生物/生物響應(yīng)以及共生/寄生互作中的功能。

MicroRNA在發(fā)育可塑性中的生物學(xué)功能

miRNA不僅充當(dāng)植物發(fā)育過程中的主要調(diào)節(jié)劑，而且還參與調(diào)節(jié)各種環(huán)境刺激（例如光，溫度和營養(yǎng)素）引發(fā)的表型可塑性。

光：miR156是進(jìn)化過程中最保守的miRNA，其靶向SPL基因的一個(gè)子集。除了在植物發(fā)育的階段過渡中發(fā)揮作用外，miR156-SPLs模塊還發(fā)揮著避蔭綜合癥的負(fù)調(diào)控作用，這是植物避免被遮蔭或與相鄰植物爭奪陽光的自適應(yīng)策略。在擬南芥中，蔭蔽可以激活PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs（其直接與MIR156s結(jié)合并轉(zhuǎn)錄抑制MIR156s的表達(dá)），從而導(dǎo)致SPLs基因的上調(diào)。SPLs蛋白介導(dǎo)各種形態(tài)學(xué)上的變化，這些變化與避蔭綜合癥響應(yīng)的增強(qiáng)有關(guān)。

在擬南芥中進(jìn)行UV-B輻射后，miR396可以被誘導(dǎo)表達(dá)從而抑制其靶標(biāo)GROWTH REGULATINGFACTORs (GRFs)。通過靶向GRFs，miR396介導(dǎo)了葉片生長的抑制，這是植物阻止細(xì)胞周期的一種自適應(yīng)策略，從而有時(shí)間修復(fù)UV-B造成的DNA損傷。在水稻中，miR2118靶向長的非編碼RNA（PHOTOPERIOD-SENSITIVE GENIC MALESTERILITY 1 TRANSCRIPT?(PMS1T)），并在長期誘發(fā)phasiRNAs的產(chǎn)生，導(dǎo)致對(duì)光周期敏感的雄性植株不育。在農(nóng)墾58S品系中，編碼PMS1T基因座的單核苷酸多態(tài)性可能介導(dǎo)miR2118對(duì)PMS1T基因的識(shí)別，以及對(duì)光周期敏感的雄性不育，這是一種很有價(jià)值的種質(zhì)資源，最初用于水稻的兩系雜交育種。

溫度：在擬南芥中，miR156和miR172具有溫度響應(yīng)性，在暴露于低溫環(huán)境后能夠協(xié)調(diào)好開花的時(shí)間。這是植物響應(yīng)溫度波動(dòng)時(shí)具有的最引人注目的熱適應(yīng)策略之一。miR156和miR172已經(jīng)被用于定義正常生長條件下，眾所周知的年齡依賴型開花途徑。隨植物年齡變化，miR156的水平下降會(huì)導(dǎo)致SPLs基因的上調(diào)，從而通過直接激活關(guān)鍵開花基因（如LEAFY、FRUITFULL和SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OFCO 1）的表達(dá)來加速開花過程。SPLs還通過miR172-介導(dǎo)的AP2阻遏來誘導(dǎo)開花誘導(dǎo)劑FLOWERING LOCUS（FT），從而直接激活MIR172以促進(jìn)開花。為了響應(yīng)較低的環(huán)境溫度，miR156被上調(diào)并且主要用來抑制SPL3。SPL3的抑制導(dǎo)致FT和FRUITFULL的下調(diào)以及開花時(shí)間的延遲。miR172的下調(diào)與miR156的上調(diào)同時(shí)發(fā)生。?miR172的下調(diào)又反過來激活A(yù)P2以抑制FT，從而產(chǎn)生對(duì)開花調(diào)控的適應(yīng)性抑制。miR172的下調(diào)主要是由FCA積累的減少引起的，而FCA是一種可以與pri-miR172結(jié)合并促進(jìn)pri-miR172加工的RNA結(jié)合蛋白。

???硝酸鹽和鋁：在響應(yīng)各種環(huán)境刺激時(shí)，幾種miRNA調(diào)節(jié)模塊在根系生長結(jié)構(gòu)（RSA）的修飾中起著重要作用。RSA的許多發(fā)育可塑性是通過miRNA-介導(dǎo)的生長素信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。保守的miR167通過靶向AUXIN RESPONSE FACTOR 8?(ARF8)負(fù)調(diào)節(jié)生長素信號(hào)的傳導(dǎo)。擬南芥在較高的硝酸鹽條件下，miR167的水平下降，使ARF8在中柱鞘和側(cè)根冠中積累，從而增強(qiáng)了生長素信號(hào)傳導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)了側(cè)根的萌生，但抑制根的伸長。這個(gè)過程代表了植物采取的一種策略，用來調(diào)整其對(duì)營養(yǎng)成分作出的發(fā)育響應(yīng)（圖2）。與增加的生長素信號(hào)傳導(dǎo)一致，擬南芥中在早期硝酸鹽響應(yīng)期間就誘導(dǎo)了生長素受體AUXIN SIGNALING F-BOX 3（AFB3）基因。但是，在硝酸鹽還原和同化過程中形成的某些代謝產(chǎn)物可以誘導(dǎo)miR393的表達(dá)從而抑制AFB3表達(dá)。因此，AFB3-介導(dǎo)的植物生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的增加和響應(yīng)硝酸鹽變化而進(jìn)行的RSA修飾是短暫的。與擬南芥硝酸鹽代謝過程中的miR393誘導(dǎo)相反，大麥在毒性鋁的脅迫下miR393被下調(diào)。miR393靶向生長素受體TRANSPORTINHIBITORRESPONSE1（HvTIR1）和HvAFB產(chǎn)生的抑制作用減緩能夠增強(qiáng)生長素信號(hào)傳導(dǎo)，并有助于通過鋁脅迫來抑制根的伸長（圖2）。通過調(diào)節(jié)RSA的發(fā)育可塑性，miRNA-介導(dǎo)的環(huán)境刺激和植物激素信號(hào)傳導(dǎo)（例如生長素信號(hào)傳導(dǎo)）的整合可促進(jìn)植物適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境（圖2）。?miR160、miR167、miR390和miR393等miRNAs通過靶向生長素途徑的基因來響應(yīng)環(huán)境刺激，并微調(diào)生長素信號(hào)的傳導(dǎo)，從而賦予植物熱/冷耐受性、抗菌感染、共生結(jié)節(jié)/叢枝的形成、寄生蟲膽的形成和根系的可塑性。TIR1/AFB編碼一種植物生長素受體；IAR3編碼吲哚-3-乙酸–丙氨酸水解酶，該酶能夠從非活性儲(chǔ)存形式釋放具有生物活性的生長素。flg22（來源于真細(xì)菌鞭毛蛋白的22個(gè)氨基酸肽段）可以被宿主植物感知并觸發(fā)基礎(chǔ)免疫。AM真菌通過形成叢枝與宿主植物產(chǎn)生共生互作。RKN通過形成“膽”覓食結(jié)構(gòu)而與宿主植物產(chǎn)生寄生互作。

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圖2.?整合了環(huán)境刺激和生長素途徑的miRNA模塊。

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MicroRNA在非生物脅迫響應(yīng)中的生物學(xué)功能

植物由于固定位置生長而持續(xù)處于不利條件下，例如極端溫度、高鹽、干旱和營養(yǎng)缺乏。這些非生物脅迫是限制植物地理分布和產(chǎn)量的主要因素。為了減少這些非生物脅迫的不利影響，植物已經(jīng)進(jìn)化出特定的機(jī)制，使其能夠耐受脅迫條件并且生存下去。miRNA-介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控是植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫的重要機(jī)制。

冷和熱：植物對(duì)熱脅迫的響應(yīng)包含誘導(dǎo)HSPs蛋白以保護(hù)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)不變性。植物也可以進(jìn)行熱應(yīng)激啟動(dòng)，其中植物回歸到適合環(huán)境后能夠獲得更高的脅迫耐受性。多種miRNAs參與這些熱響應(yīng)。擬南芥的miR398參與了基本的耐熱反應(yīng)。兩種熱激轉(zhuǎn)錄因子能夠誘導(dǎo)MIR398基因的表達(dá)，而miR398依次抑制其靶基因COPPER/ZINC SUPEROXIDEDISMUTASE 1 (CSD1)、CSD2和COPPER CHAPERONE OF CSD，其抑制作用通過增加熱激轉(zhuǎn)錄因子和HSPs蛋白的表達(dá)來提高耐熱性。與野生型植物相比，表達(dá)抗miR398的CSD1、CSD2和CSD COPPER CHAPERONE轉(zhuǎn)基因植物對(duì)熱更敏感，并且展現(xiàn)出熱激轉(zhuǎn)錄因子的急劇減少。在棉花（陸地棉）中，miR160通過靶向ARF10/16/17來介導(dǎo)生長素信號(hào)傳導(dǎo)的抑制作用，從而導(dǎo)致棉花在高溫脅迫下的花藥育性（圖2）。然而miR160在耐熱棉中被下調(diào)，但其過表達(dá)會(huì)增加植物的熱敏感性。

miR156-SPLs模塊可能有助于植物的熱應(yīng)激啟動(dòng)。在擬南芥中，反復(fù)出現(xiàn)的熱應(yīng)激誘導(dǎo)了miR156，其作用是保持熱應(yīng)激記憶。在這個(gè)過程中，SPLs可能充當(dāng)轉(zhuǎn)錄阻遏物，從而抑制參與熱應(yīng)激記憶過程的某些基因。由miRNAs介導(dǎo)的另一種適應(yīng)策略是在耐熱農(nóng)作物向日葵中發(fā)現(xiàn)的，這種向日葵進(jìn)化出特殊的miR396-HaWRKY6調(diào)控模塊，該模塊可能在植物生長發(fā)育過程中起到高溫保護(hù)作用。實(shí)際上，表達(dá)抗miR396的HaWRKY6轉(zhuǎn)基因植物出現(xiàn)耐熱性受損的現(xiàn)象。

在植物中，冷脅迫能夠誘導(dǎo)出一套不同的響應(yīng)。在甘蔗和水稻中，冷脅迫誘導(dǎo)了在進(jìn)化上十分保守的miR319表達(dá)。miR319的過表達(dá)下調(diào)了TEOSINTE BRANCHED1、CYCLOIDEA, PROLIFERATING CELLNUCLEAR ANTIGEN BINDING FACTOR這兩個(gè)基因并增強(qiáng)兩個(gè)物種的耐冷性，這表明miR319可以作為耐冷性的正向調(diào)節(jié)劑。通過靶向生長素受體基因TIR1/AFB，冷誘導(dǎo)的miR393也可以正調(diào)控柳枝稷草的耐冷性（圖2）。miR393過表達(dá)或TIR1/AFB突變會(huì)增強(qiáng)植物耐寒性，并伴隨著冷應(yīng)答基因表達(dá)的增加。

干旱：為了適應(yīng)干旱條件，植物通過抑制初生根的生長并增加側(cè)根的發(fā)育來最大程度地吸收水分，從而修飾其RSA。作為眾所周知的側(cè)根形成的形態(tài)發(fā)生誘因，具有生物活性的生長素吲哚-3-乙酸（IAA）的積累有助于RSA的塑性變化。在擬南芥中，miR167a被下調(diào)，其靶向IAA-ALA RESISTANT 3基因（編碼IAA-Ala水解酶，從非活性儲(chǔ)存形式的生長素中釋放IAA），該基因被抑制從而促進(jìn)IAA積累和側(cè)根發(fā)育（圖2）。

miR165/166通過靶向編碼HD-ZIP III轉(zhuǎn)錄本的方式，成為植物生長和發(fā)育過程中重要的調(diào)節(jié)劑。這些miRNA還負(fù)調(diào)控植物的干旱耐受性。miR165/166的下調(diào)賦予擬南芥和水稻抗旱性的增強(qiáng)，這可能是HD-ZIP III-介導(dǎo)的ABA水平升高的結(jié)果。在擬南芥中，干旱也能下調(diào)miR169的表達(dá)，從而誘導(dǎo)NUCLEAR TRANSCRIPTION FACTOR Y SUBUNIT ALPHA 5（NFYA5）的產(chǎn)生。NFYA5的過表達(dá)增強(qiáng)了植物抗旱性，而nfya5突變株和miR169過表達(dá)的植物對(duì)干旱表現(xiàn)出高度敏感性，這表明NFYA5賦予了植物抗旱性。NFYA5可能通過介導(dǎo)脅迫應(yīng)答轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)該功能。大豆的miR169-GmNFYA3模塊也具有耐旱性，這表明miR169-NFYA模塊在植物抗旱性中的調(diào)控作用是保守的。除了下調(diào)miR169之外，植物還進(jìn)化出其它機(jī)制來確保干旱條件時(shí)能夠誘導(dǎo)NFYA5。在擬南芥中，NFYA5的反義基因ENHANCING RING FINGER (NERF)可以產(chǎn)生與miR169具有類似序列但不能指導(dǎo)NFYA5?mRNA切割的siRNA。通過與miR169的競爭，NERF?siRNA可以防止miR169-介導(dǎo)的NFYA5表達(dá)抑制。這種機(jī)制有助于NFYA5-介導(dǎo)的干旱耐受性，這種現(xiàn)象可以通過NFYA5的高積累和NERF過表達(dá)品系中干旱耐受性增強(qiáng)以及NERF敲除品系中表型相反來證明。最近，杜等人證明了擬南芥中的脫水休克反應(yīng)誘導(dǎo)了miR169i和miR1691并通過翻譯激活的方式正調(diào)控NFYA5基因的表達(dá)。

營養(yǎng)不足：為了在各種條件下成功生長，植物必須能夠克服營養(yǎng)缺乏癥；此外，為了以最少的營養(yǎng)吸收獲得高產(chǎn)量，農(nóng)作物必須有效地利用養(yǎng)分。在低營養(yǎng)條件下，一小部分miRNA被鑒定是介導(dǎo)營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的主要調(diào)控因子。這些miRNA的鑒定拓寬了研究者對(duì)營養(yǎng)饑餓反應(yīng)分子機(jī)制的理解，同時(shí)可以為作物營養(yǎng)利用效率的提高提供相關(guān)信息。

一些miRNA調(diào)節(jié)模塊會(huì)影響一般養(yǎng)分的吸收。最近研究發(fā)現(xiàn)，miR166靶向RICE DOF DAILY FLUCTUATIONS 1?(RDD1)，其編碼Dof轉(zhuǎn)錄因子。?miR166-介導(dǎo)的調(diào)節(jié)導(dǎo)致RDD1晝夜擺動(dòng)的表達(dá)模式。在低營養(yǎng)條件下，抗miR166?RDD1的過表達(dá)顯著增加了營養(yǎng)離子（NH4 +，PO4 3-和K +）的吸收和積累，這表明miR166-RDD1操縱子可以應(yīng)用于水稻育種中，從而提高營養(yǎng)的利用效率。

相反，其它模塊會(huì)影響特定的營養(yǎng)素。miRNA-介導(dǎo)的調(diào)節(jié)影響大量營養(yǎng)素（如磷酸鹽、氮和硫）以及微量營養(yǎng)素（如銅）的攝取。

磷酸鹽：磷（Pi）是所有活體生物中大分子生物合成、能量轉(zhuǎn)移、酶活和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)必不可少的重要營養(yǎng)素。此外，磷的水平經(jīng)常限制農(nóng)作物的產(chǎn)量。擬南芥中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)參與Pi-饑餓反應(yīng)的miRNA是miR399。在Pi充足的條件下，假定的泛素結(jié)合酶PHO2將多泛素添加到Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHOSPHATE TRANSPORTER 1（PHT1）上，并靶向PHT1從而進(jìn)行降解，以保持最佳的Pi吸收率。低濃度的磷脅迫強(qiáng)烈誘導(dǎo)擬南芥和水稻中的miR399從而下調(diào)PHO2。miR399對(duì)PHO2的下調(diào)會(huì)增加PHT1的水平，從而增加Pi的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。在正常條件下，miR399的過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致植物芽中Pi的過度積累并呈現(xiàn)出Pi中毒的癥狀，這種現(xiàn)象類似于擬南芥和水稻中PHO2基因的突變。

在植物遇到Pi不足的條件時(shí)，miR399在表達(dá)PHO2的血管組織中積累，并且通過相互嫁接實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮砻鱩iR399可以從嫩芽轉(zhuǎn)移到根部。這表明miR399在低Pi條件下能夠作為系統(tǒng)信號(hào)來調(diào)節(jié)Pi的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。在早期Pi饑餓響應(yīng)中miR399的轉(zhuǎn)移至關(guān)重要，因?yàn)榕c擬南芥新芽中MIR399的表達(dá)相比，其在根部的早期表達(dá)很低。隨著Pi饑餓響應(yīng)的進(jìn)行，miR399在根和芽中積累的增加會(huì)導(dǎo)致植物對(duì)Pi的過度吸收；負(fù)調(diào)節(jié)劑可能起到拮抗miR399-介導(dǎo)的Pi收集和轉(zhuǎn)運(yùn)的作用。IPS1就是一種這樣的負(fù)調(diào)節(jié)劑，它是一種非編碼RNA，具有與miR399互補(bǔ)的序列。在擬南芥中，Pi缺乏時(shí)可以誘導(dǎo)IPS1的表達(dá)。由于miR399- IPS1堿基互補(bǔ)配對(duì)區(qū)域中有一個(gè)凸起，IPS1被隔離，而不是被miR399切割。IPS1敲除植株在嫩芽中積累過量的Pi，這表明在Pi饑餓響應(yīng)期間IPS1對(duì)維持Pi穩(wěn)態(tài)具有關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。

幾種植物中的Pi缺失也會(huì)強(qiáng)烈地誘導(dǎo)進(jìn)化上保守的miR827。在擬南芥中，miR827靶向NITROGEN LIMITATION ADAPTATION?(NLA)（編碼泛素E3連接酶）。與miR399-PHO2模塊功能相似，miR827-NLA模塊也調(diào)節(jié)Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHT1的泛素化，從而在Pi饑餓響應(yīng)期間平衡Pi的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。值得注意的是，與擬南芥中的miR827-NLA模塊相反，水稻中miR827并不靶向NLA的同源物，而是靶向PHT5家族的兩個(gè)成員（充當(dāng)液泡Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白），以介導(dǎo)Pi在水稻和擬南芥中的存儲(chǔ)或遷移。最近，基于靶標(biāo)預(yù)測(cè)分析，Lin等人發(fā)現(xiàn)miR827在大多數(shù)被子植物中保守地靶向PHT5的同源物，但在十字花科和豆科植物中優(yōu)先靶向NLA的同源物，這表明在進(jìn)化過程中miR827的靶標(biāo)已經(jīng)從PHT5轉(zhuǎn)移到NLA。這種新的miRNA-靶標(biāo)模塊采用了不同的調(diào)節(jié)機(jī)制，但仍參與到與其原始模塊相同的生物學(xué)過程中，這表明miR827對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Pi穩(wěn)態(tài)的重要性。

氮和硫：氮是限制植物生長和作物產(chǎn)量的另一個(gè)因素。硝酸鹽缺乏會(huì)誘導(dǎo)多種植物中miRNA表達(dá)的變化。當(dāng)硝酸鹽缺乏時(shí)，擬南芥表現(xiàn)出miR169a的下調(diào)同時(shí)上調(diào)其靶標(biāo)蛋白——NFYA家族成員。miR169-NFYA模塊可能調(diào)控硝酸鹽吸收系統(tǒng)的適應(yīng)性響應(yīng)，這從以下現(xiàn)象中可以看出：miR169的過表達(dá)減少了多種硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)并且能夠引起早期衰老的表型。小麥中也發(fā)現(xiàn)了miR169-NFYA響應(yīng)硝酸鹽饑餓時(shí)具有相同的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)該模塊還顯示出對(duì)低濃度可利用磷的響應(yīng)。在不同水平的養(yǎng)分供應(yīng)田間試驗(yàn)中，TaNFYAB1的過表達(dá)顯著增加了硝酸鹽和磷酸鹽的吸收以及谷物的產(chǎn)量，這表明miR169-NFYA模塊在以較少肥料投入為目標(biāo)的高產(chǎn)育種中具有巨大潛力。實(shí)際上，基于對(duì)硝酸鹽和磷酸鹽不足時(shí)具有相似的響應(yīng)，可以把更多的miRNA模塊（包括miR827-NLA和miR444-ANR1）作為提高植物養(yǎng)分利用率的工程目標(biāo)。

可利用的硫還能調(diào)節(jié)植物的生長，活力和農(nóng)作物產(chǎn)量。當(dāng)硫缺乏時(shí)，擬南芥和水稻均強(qiáng)烈地誘導(dǎo)miR395去靶向ATP硫酸化酶和SULFATE TRANSPORTER2；這兩者都是硫酸鹽代謝途徑的關(guān)鍵因素，并且能夠介導(dǎo)硫酸鹽的同化和吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)。在擬南芥和水稻中過量表達(dá)miR395的植物均表現(xiàn)出S饑餓癥狀，這進(jìn)一步證明miR395充當(dāng)了植物硫響應(yīng)和代謝的負(fù)調(diào)節(jié)劑。由此可以提出了一個(gè)問題，即為什么當(dāng)硫缺乏時(shí)會(huì)誘導(dǎo)出負(fù)調(diào)節(jié)劑。由于SULFUR LIMITATION 1（硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和ATP硫酸化酶的轉(zhuǎn)錄激活因子）介導(dǎo)miR395的轉(zhuǎn)錄激活，而miR395可能被誘導(dǎo)以維持硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和ATP硫酸化酶的最佳水平，從而在低硫條件下實(shí)現(xiàn)硫穩(wěn)態(tài)。擬南芥在缺硫條件時(shí)，氧化還原信號(hào)也可以誘導(dǎo)miR395的表達(dá)，這表明在響應(yīng)硫缺乏時(shí)，miR395的表達(dá)時(shí)一個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)過程。

銅：銅是植物必需的微量營養(yǎng)素。它在光合作用和呼吸作用的電子運(yùn)輸中ROS的清除、細(xì)胞壁代謝和乙烯感知中起著重要作用。植物已經(jīng)進(jìn)化出一組miRNAs去下調(diào)可分配的含銅蛋白質(zhì)以應(yīng)對(duì)銅缺乏的情況，從而節(jié)省銅用于必需的生物過程（例如光合作用）。銅響應(yīng)性miRNA包括miR397、miR398、miR408和miR857。當(dāng)響應(yīng)銅缺乏條件時(shí)，所有這些miRNA均被轉(zhuǎn)錄因子SPL7誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄，該轉(zhuǎn)錄因子是一個(gè)保守的銅感應(yīng)因子，就像其綠藻同源物COPPERRESPONSE REGULATOR 1。miR398的誘導(dǎo)導(dǎo)致CSD1和CSD2的下調(diào)，它們是擬南芥中ROS清除和氧化應(yīng)激耐受性過程中重要的含銅蛋白。miR397、miR408和miR857下調(diào)了可分配的含銅蛋白質(zhì)plantacyanin和漆酶。與單細(xì)胞綠藻相比，當(dāng)銅不足時(shí)高等植物缺乏COPPERRESPONSE REGULATOR 1-介導(dǎo)的鐵依賴性細(xì)胞色素c6途徑從而用于光合作用，且高等植物對(duì)銅的需求更大。高等植物中進(jìn)化的SPL7-miRNA含銅蛋白質(zhì)模塊可能代表了一種適應(yīng)性調(diào)控級(jí)聯(lián)反應(yīng)，以滿足銅缺乏條件下光合作用的銅需求。因此，miR408的過表達(dá)可以增強(qiáng)各種高等植物的光合作用、生長和產(chǎn)種量。

MicroRNA在生物脅迫響應(yīng)中的生物學(xué)功能

在自然界中，植物不斷受到病原體的攻擊，其中包括真菌、細(xì)菌、病毒和昆蟲。miRNA是介導(dǎo)植物對(duì)生物脅迫免疫響應(yīng)的重要參與者。到目前為止，至少有21種miRNA-靶標(biāo)模塊參與到植物對(duì)病原體的防御過程。許多miRNA途徑的突變體，例如dcl1、hen1和ago1，出現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌或病毒抵抗力下降的現(xiàn)象。

抗細(xì)菌和抗真菌免疫力：受到細(xì)菌和真菌的攻擊后，宿主植物可以識(shí)別保守的相關(guān)病原體的分子模式（PAMPs），并激活基礎(chǔ)防御PAMP-觸發(fā)的免疫（PTI）。在擬南芥中，miR393被PAMP鞭毛蛋白（flg22）誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄，從而下調(diào)F-box生長素受體TIR1，AFB2和AFB3的水平；抑制植物的生長素信號(hào)；且有益于植物防御致命的細(xì)菌性病原體Pseudomonas syringae pv. tomato?DC3000（圖2）。miR160a被誘導(dǎo)并且通過靶向ARFs、增加胼胝質(zhì)的沉積從而幫助PTI。在水稻中，miR398b被誘導(dǎo)防御稻瘟病菌Magnaportheoryzae，從而幫助PTI。水稻亞種特異性的miR7695靶向NATURAL RESISTANCE-ASSOCIATEDMACROPHAGEPROTEIN 6的可變剪接轉(zhuǎn)錄本，從而賦予植物對(duì)M. oryzae的抗性。在大豆根中，當(dāng)類似真菌的病原體Phytophthora sojae侵襲時(shí)miR393和miR166被誘導(dǎo)并參與到PTI過程。盡管許多miRNA被誘導(dǎo)去抑制植物防御的負(fù)調(diào)控因子，但有些miRNAs也會(huì)被下調(diào)以幫助植物抵抗病原體。在擬南芥中，miR398b和miR773被flg22下調(diào)，以增加胼胝質(zhì)的沉積及植物對(duì)細(xì)菌的抵抗力。當(dāng)細(xì)菌和真菌感染后，miR400被下調(diào)，導(dǎo)致PENTATRICOPEPTIDEREPEAT1/2基因的表達(dá)增強(qiáng)，這兩個(gè)基因均編碼定位于線粒體的五肽重復(fù)序列，并且可能通過控制ROS的代謝來促進(jìn)PTI。在水稻中，miR164a被下調(diào)，其靶標(biāo)轉(zhuǎn)錄因子OsNAC60被抑制，從而增強(qiáng)了植物對(duì)M. oryzae的防御反應(yīng)。

病原體通過將效應(yīng)蛋白傳遞到植物細(xì)胞中來對(duì)抗PTI。為了抵抗病原體的入侵，植物細(xì)胞利用R蛋白識(shí)別效應(yīng)蛋白并啟動(dòng)具有更強(qiáng)觸發(fā)-效應(yīng)的免疫（ETI）。與結(jié)合AGO1并參與PTI的miR393不同，miR393 *是由無毒性P. syringae pv. TomatoDC3000攜帶的效應(yīng)子avrRpt2誘導(dǎo)的。這種miRNA優(yōu)先加載到AGO2中，并通過抑制MEMB12的表達(dá)來促進(jìn)抗菌性PATHOGENESIS-RELATEDPROTEIN的分泌，從而促進(jìn)ETI。MEMB12是定位于高爾基體的SOLUBLENETHYLMALEIMIDESENSITIVE FACTOR ATTACHMENT PROTEIN RECEPTOR蛋白。類似地，miR863-3p被DC3000表達(dá)的avrRpt2誘導(dǎo)，并且?guī)椭鶳ATHOGENESIS-RELATED PROTEIN蛋白分泌的增加，盡管其與AGO1結(jié)合并抑制ATYPICAL RECEPTOR-LIKEPSEUDOKINASE 1和2，但能能達(dá)到促進(jìn)ETI的效果。在大麥中，miR398-CSD1模塊可以促進(jìn)R基因MILDEW RESISTANCE LOCUS A（MLA）-介導(dǎo)的ETI。大麥在被大麥白粉病真菌感染后，MLA的激活可以下調(diào)miR398以抑制其靶基因CSD1的表達(dá)，從而增加CSD1-介導(dǎo)的ROS積累和細(xì)胞死亡。

但是，R蛋白引發(fā)的ETI對(duì)植物具有適應(yīng)性代價(jià)，因此在沒有病原體侵襲的情況下ETI被阻止且在防御后被減弱。一組miRNA靶向R基因的轉(zhuǎn)錄本并觸發(fā)phasiRNA的產(chǎn)生，從而在沒有病原體感染的情況下防止R蛋白引發(fā)自身免疫（圖3）。最初發(fā)現(xiàn)，苜蓿中具有22個(gè)核苷酸的miRNAs（miR2118、miR1507和miR2109）可以靶向并切割nucleotide binding andleucine-rich repeat?(NB-LRR)基因（最大的一組植物R基因）的mRNA，并觸發(fā)phasiRNA的產(chǎn)生。隨后，已證明miRNA-介導(dǎo)的R基因表達(dá)調(diào)控是一種保守的機(jī)制。在煙草中miR6019/6020靶向TIR-NBLRRimmunereceptor N基因，在番茄中miR482/miR2118/miR5300靶向具有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域的NB-LRRs，在大麥中miR9863靶向MLA是等位基因。當(dāng)病原體感染后，病原體衍生出的效應(yīng)蛋白會(huì)抑制這些miRNAs-介導(dǎo)的沉默級(jí)聯(lián)反應(yīng)，同時(shí)激活ETI。植物防御后，這些miRNAs受到抑制，R基因又被抑制以防止過度免疫（圖3）。有趣的是，這些miRNA-R基因模塊與年齡相關(guān)的ETI有關(guān)。番茄和煙草生長過程中R基因表達(dá)的全基因組提高與R基因相關(guān)的小RNA（sRNAs）（包括miRNA和phasiRNA）的減少有關(guān)。由于miR6019/6020的逐漸減少和NB-LRRs表達(dá)的增加，成熟植物對(duì)煙草花葉病毒的抵抗力也逐漸增強(qiáng)。

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圖3. miRNA-介導(dǎo)的R基因調(diào)控。一組22個(gè)核苷酸的miRNAs可以靶向R基因并觸發(fā)phasiRNA的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)許多植物中R基因的沉默。（a）在沒有病原體的情況下或在免疫的后期，這些miRNA-R基因模塊被激活從而防止自身免疫或過度誘導(dǎo)的免疫，而這兩種情況都對(duì)植物具有適應(yīng)性代價(jià)。（b）在病原體感染后，由于病原體效應(yīng)蛋白的作用，這些22-nt miRNAs介導(dǎo)的沉默被抑制，從而激活R基因以引發(fā)效應(yīng)蛋白-觸發(fā)的免疫反應(yīng)。

茶葉風(fēng)味與香氣形成機(jī)理（源自通天神性）