植物microRNA（miRNA）作为转录后调节因子，广泛参与生长发育和环境适应，也是许多重要农艺性状的遗传基础。由于以转录因子或其他调控因子作为靶标的miRNA，调控原理的脉络相对清晰，对miRNA的功能研究主要集中这类miRNA，对于靶定非转录因子的miRNA还缺乏深入理解。miR408是陆生植物中最保守的miRNA之一，在拟南芥中以编码蓝铜蛋白plantacyanin和多铜氧化酶laccase的基因为靶标。尽管对于miR408参与调控铜稳态的认知由来已久，但其分子机制仍悬而未决。
近日，北京大学现代农业研究院、北京大学现代农学院、北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室李磊课题组在The Plant Cell在线发表了题为The microRNA408–plantacyanin module balances plant growth and drought resistance by regulating reactive oxygen species homeostasis in guard cells的研究论文，揭示了miR408通过调控保卫细胞中的ROS稳态和气孔运动，以平衡植物生长和抗旱的分子机制。
李磊课题组对miR408–plantacyanin模块开展了系统研究。Plantacyanin是一个结构紧凑的蓝铜蛋白，除了N端的信号肽，只有一个I型铜结合域。首先发现miR408受到光信号和铜稳态核心因子的协同调节，通过调控叶绿体中质体蓝素的积累而促进光合作用（Zhang et al., 2014）；对多种植物进行分析，发现过表达miR408均表现出光合效率升高、种子大小增加、产量显著提高的优良性状（Pan et al., 2018）。随后注意到plantacyanin在成熟种子中积累，在种子见光萌发进程中快速降解，继而揭示了miR408–plantacyanin模块在种子萌发中调控激素平衡的机制（Jiang et al., 2021）。在营养器官中，plantacyanin在衰老叶片中积累，进一步发现miR408抑制位于内质网的SAG14–plantacyanin蓝铜蛋白模块调控叶片衰老进程的机制（Hao et al., 2022）。这些研究揭示了miR408调控铜离子向质体分配的这一共性机制，但其受到进化选择的原因仍不清楚。
该研究首先通过表达模式分析，确定了plantacyanin是miR408在拟南芥营养组织中的主要靶点。荧光成像显示plantacyanin表达在保卫细胞中，亚细胞定位与单个叶绿体周围的内膜相关（图1）。通过ChIP-seq、EMSA、双荧光素酶和活体成像等分子生物学方法，发现miR408启动子受到多个ABA响应转录因子的抑制，从而使plantacyanin在胁迫条件下积累。遗传分析表明，plantacyanin可提高保护细胞中的ROS含量（图1），促进气孔关闭，减少光合气体交换，增强抗旱性。此外，miR408-plantacyanin模块足以挽救因ABA响应转录因子的过表达或丧失而引起的生长和抗旱失调表型。这些结果表明，miR408–plantacyanin模块通过传导ABA信号而调节ROS稳态和气孔运动：在有利生长条件下，miR408表达上升，抑制plantacyanin和ROS积累，从而打开气孔促进光合作用和生长；在逆境条件下，ABA信号抑制miR408表达，plantacyanin的积累提升ROS含量，促进气孔关闭以增强抗旱性（图2）。
图1 Plantacyanin的亚细胞定位和促进ROS积累的功能。
植物自身无法通过移动逃避环境胁迫，需要精确地平衡生长发育和胁迫应答，以适应不断变化的环境。环境变化如何影响植物生长不仅是一个基本的科学问题，而且对农业和粮食安全至关重要。据统计，不利环境对关键农作物的总体产量造成了约70%的损失，即平均产量仅为遗传产量潜力的约30%。本研究表明，陆生植物中高度保守的miR408的基本作用是通过调节气孔运动以平衡生长和抗旱性，不但为理解miR408的功能和演化提供了机制性的理解，也为培育耐旱高产作物提供了新的思路。
图2 miR408平衡植物生长和抗旱的模式图。
北京大学现代农学院博士后杨彦芝为本论文的第一作者，北京大学研究员李磊为该论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。
参考文献
Hao C, Yang Y, Du J, Deng XW, Li L (2022) The PCY-SAG14 phytocyanin module regulated by PIFs and miR408 promotes dark-induced leaf senescence in Arabidopsis. PNAS, 119:e2116623119.
Jiang A, Guo Z, Pan J, Zhuang Y, Zuo D, Hao C, Gao Z, Xin P, Chu J, Zhong S, Li L (2021) The PIF1-MIR408-Plantacyanin repression cascade regulates light dependent seed germination. Plant Cell, 33:1506-1529.
Pan J, Huang D, Guo Z, Kuang Z, Zhang H, Xie X, Ma Z, Gao S, Lerdau MT, Chu C, Li L (2018) Overexpression of microRNA408 enhances photosynthesis, growth, and seed yield in diverse plants. JIPB, 60:323-340.
Yang Y, Xu L, Hao C, Wan M, Tao Y, Zhuang Y, Su Y, Li L (2024) The microRNA408–plantacyanin module balances plant growth and drought resistance by regulating reactive oxygen species homeostasis in guard cells, Plant Cell, koae144.
Zhang H, Zhao X, Li J, Cai H, Deng XW, Li L (2014) MicroRNA408 is critical for the HY5-SPL7 gene network that mediates the coordinated response to light and copper. Plant Cell, 26:4933-4953.
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koae144
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