又是它！miR528——单子叶植物ROS代谢平衡中的关键调控因子

microRNA（miRNA）是植物学研究中最受关注的一类小分子RNA（small RNA），短小精湛而功能全面。miRNA长度只有21-24nt，却参与到植物生长发育和逆境响应的多个生物学过程，包括器官决定、叶片生长、花芽分化、病毒抵御、高低温适应等。每类植物的MIRNA基因座有数百个，有的miRNA家族存在多个成员，它们在不同物种中，往往通过靶向特定的、具有类似功能的基因家族成员（编码基因）而实现其转录后调控功能，如miR156—SPL，miR167—ARF，miR397—LAC等。

近日，中国科学院华南植物园 蒋跃明 课题组与华南农业大学 夏瑞 New Phytologist 上发表题为 MicroRNA528, a hub regulator modulating ROS homeostasis via targeting of a diverse set of genes encoding copper-containing proteins in monocots 的研究论文。该研究发现 miR528在香蕉中靶向多酚氧化酶 （PPO） 基因，在香蕉低温胁迫过程中扮演非常重要的角色。 低温条件下，香蕉中miR528表达下降，导致PPO基因表达成百倍增加，从而引起活性氧（ROS）水平的上升，最终导致香蕉果皮褐变性状的出现（小编终于知道为什么香蕉放在冰箱里会褐变了......）。同时，该研究通过大范围比较基因组分析，发现 miR528在不同的单子叶植物中具有不一样的靶向偏好性，但是大部分靶基因都编码含铜相关蛋白，通过参与多样化的氧化还原反应广泛调控植物体内活性氧的代谢平衡。

新发现——香蕉miR528靶向PPO基因

低温往往可以延长果蔬的货架期。但当香蕉放在较低温度下（低于12°C）时，果皮会逐渐产生褐变而使其失去商品价值。该研究首先比较了香蕉在高低温处理下，其果皮中sRNA组与室温处理之间的区别，发现差异表达的miRNA明显偏好地靶向编码氧化还原相关蛋白的基因。通过实验验证与进一步数据分析，发现miR528对低温有明显响应，其靶向多酚氧化酶PPO基因。在冷胁迫过程中，miR528和靶向的PPO基因呈现明显的负相关。PPO已被证明与不同果蔬如苹果、桃子、菠萝和蘑菇等的褐变现象密切相关，因而香蕉在低温处理下，由miR528介导PPO参与香蕉果皮褐变过程可能类同。

miR528——单子叶植物ROS平衡管理者

miR528在香蕉中靶向PPO基因，这与其它单子叶植物中报道的不一样，这一结果引起了该研究团队的关注。通过进一步整合分析近乎所有已测序的单子叶植物基因组与转录组（OneKP）数据，研究团队发现miR528几乎存在于所有单子叶植物中。而与已知的保守miRNA家族不同，miR528在大多数物种中只有一个拷贝，且其成熟序列也表现出明显的一致保守性，暗示存在着独特的进化选择过程。

拷贝数保守，成熟序列也保守，那么靶基因呢？通过大规模的靶向预测与人工数据分析，该研究发现miR528同一物种中，可以靶向了不同的基因家族，而其靶位点的位置没有明显的保守性，可能在CDS，也可能在5'-UTR或3'-UTR区域。miR528虽然是单子叶植物保守的miRNA，但其靶向的基因家族伴随单子叶物种的分化，存在明显的偏好变化。

生物学问题的有趣之处在于，我们常常既可以从看似共性的问题中发现个性，也可以从看似个性的状态中提取出共性。miR528的靶基因似乎是分散到非常多的基因（家族），包括AAO，LAC，CBP和PPO等。这些基因均是以家族的形式存在于不同的物种中。通过对这些家族的功能或特点进行分析，研究团队发现了有趣之处： 这些miR528的靶基因几乎都编码含铜蛋白。

铜（Cu）是植物所必须的微量元素，其常常存在于氧化还原酶或超氧化物歧化酶的活性中心，是后者的核心组分。这些酶的含量与活性直接影响了植物体内的氧化还原（ROS）平衡态，进而关系到植物的正常发育与胁迫响应。miR528广谱地靶向含铜蛋白，这直接让其成为单子叶植物中ROS的平衡管理者。miR528一方面靶向PPO、AAO、AO、LAC等，促进ROS的产生；而另一方面也可以靶向POD、SOD等，参与ROS的清除， 从而在ROS产生与清除的博弈之间发挥平衡作用。

以上研究工作由 蒋跃明 课题组与 夏瑞 朱虹 副研究员与夏瑞课题组博士生 陈程杰 为该论文共同第一作者， 蒋跃明 研究员、 段学武 研究员与 夏瑞 教授为该论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委的资助。

多面手——miR528

独特的功能实现，miR528就像习得孙行者一样的七十二变，在这个物种变个脸靶向一个基因家族，实现一种功能；在另一个物种变个脸，靶向另外一个基因家族，实现一种功能。独特的保守性，miR528也像齐天大圣一样，能力全面但独一无二。miR528在多数单子叶物种中只有一个拷贝，而且序列完全一致。强大的平衡能力，miR528像孙悟空一样，斩妖除魔，既能上天（ROS的产生），也能下地（ROS的清除）。

针对miR528的这一特性，夏瑞课题组在 Molecular Plant 上发表题为 Jack of Many Trades: The Multifaceted Role of miR528 in Monocots 的Spotlight文章，文中 对miR528的多面手功能进行了比较系统的总结。

2005年，中科院遗传所曹晓风课题组在水稻Dicer-like 1突变体研究中（Plant Physiol.）鉴定到了miR528。在后续的研究中，miR528被确定为单子叶中保守存在的miRNA。五年后（2010年），通过降解组测序，曹晓风课题组鉴定了miR528在水稻中的数个靶基因，包括L-ascorbic acid oxidase（AAO）。又过五年（2015年），克莱姆森大学Hong Luo课题组在Creeping Bentgrass中超表达水稻miR528（Plant Physiol.），获得盐胁迫和N饥饿耐受的植株。在随后的数年内，miR528相关报道不断增多。吴建国（Mol. Plant, 2017）在水稻研究中，发现miR528通过靶向AAO，参与到病毒抗逆响应。李文学团队（Mol. Plant, 2018）在玉米研究中，发现miR528通过靶向Laccase参与到玉米木质素合成，从而影响了玉米的抗倒伏性。今年（2019）曹晓风老师课题组在进一步研究中发现miR528在水稻中受到OsSPL9和可变剪切的精细调控，并通过靶向OsRFI2，参与到水稻的成花诱导（点击查看：Mol. Plant | 曹晓风团队揭示水稻miR528积累的精细调控机制及其在水稻开花时间调节中的作用），同期李毅课题组与吴建国课题组同样证实了OsSPL9对miR528的调控，展示了OsSPL9-miR528-AAO在水稻抗病毒研究的应用前景（Mol. Plant, 2019）。

至此，miR528展示出明显的多面手姿态：

• 靶向AAO，参与病毒抗性

• 靶向LAC，影响植株倒伏

• 靶向RFI，调节开花时间

• 靶向CBP1，存在可能的铜稳态平衡作用

• 靶向PPO，影响果皮褐变

• 靶向其它？

那么如此独特的miR528是如何在单子叶植物的进化过程中演化出来的？是怎么产生的 ？它的功能偏好性是如何产生的？是含铜类蛋白特异的进化过程导致的？这个单子叶特异的调控网络中各成员之间是如何协调调控的？ 这些问题都是后续研究工作中值得探索的问题。

本推文相关详细内容，可阅读以下论文：

1. Chen, C., Liu, Y., and Xia, R. (2019). Jack of Many Trades: The Multifaceted Role of miR528 in Monocots. Mol. Plant 12:1044–1046. 2. Hong Zhu, Chengjie Chen,Jun Zeng, Ze Yun, Yuanlong Liu, Hongxia Qu, Yueming Jiang Xuewu Duan, Rui Xia. MicroRNA528, a hub regulator modulating ROS homeostasis via targeting of a diverse set of genes encoding copper‐containing proteins in monocots. New Phytologist. https://doi.org/10.1111/nph.16130