王泳植 卢尧舜 王锦达

摘要：指出了传统方式培育出的农作物已难以满足现代市场的需求，很长一段时间内，研究人员都被改艮作物品质用时长、耗费高、程序繁杂等问题所困扰，RNAi（ RNA interference）技术的出现，让这些问题的解决取得了飞速进展。RNAi能沉默特定基因的表达，且拥有极高的精度和准度，通过RNAi技术，特定基因的表达可被高度下调，且不会影响其他基因。通过操纵RNA干扰的途径，产生小RNA分子来改良作物中的基因表达，可以产生新的品质性状，且在抵御生物和非生物胁迫方面有较高潜力。营养成分的改良，形态学上的改变和次生代谢物合成的增加，是RNAi技术另一方面的优势。综述了RNAi技术在作物改良的各方面应用，探讨了RNAi技术存在的问题，并对RNAi技术在作物改良方面的未来前景作了展望。

关键词：RNAi;作物改良;株型;营养成分;胁迫抗性

中图分类号：Q943

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）14-0239-04

1 引言

人类赖以生存的资源很大一部分来源于植物及其加工后的产物，随着世界人口的增加，对于植物的需求与日俱增。耕地和水源的减少、生物及非生物胁迫、气候变化等是抑制植物健康生长、减少植物产量的主要限制因素，这将导致未来的粮食安全问题，人体营养不良甚至饥荒。为了克服这些问题，开展现代育种技术、分子遗传学、DNA重组和生物技术的研究，以期获得具有病害抗性、耐胁迫和高產等优点的作物品种，生物技术的应用，尤其是基因工程，为作物改良带来了重要突破。然而，基因工程技术在现代农业中的应用，是否符合生物安全准则，以及向作物巾导入其他有机体的基因所带来的影响引起了公众的关注，因此，有必要发展一种更加安全、更能被公众所接受的作物改良技术。基于这点，RNAi技术引起了研究人员的广泛关注，相比于基因工程技术，这项技术具有稳定性高、特异性强、效率高等优点，在作物改良方面有巨大潜力。就RNAi技术在作物改良的应用进行讨论，对这项技术的问题及其前景进行展望。

2 RNAi的作用机制

外源基因利用宿主细胞进行转录时产生双链RNA（ dsRNA），dsRNA随后被细胞内的核酸内切酶切割成小片段RNA（ siRNA）;在RNA解旋酶的作用下，siRNA被解链为正义链和反义链;反义siRNA结合某些酶形成RNA诱导的沉默复合物（RISC）;RISC结合mRNA的同源区并切割mRlxIA，宿主细胞随即针对这些mRNA产生降解反应。

3 RNAi在作物改良中的应用

3.1植物株型的改变

株型的改变包括株高、分枝、茎长和花叶形态等，它们与重要的农艺性状如产量、生理生化过程、倒伏以及对抗环境胁迫的能力有关。

Xu等在实验过程中发现，不定根出苗和生长在OsPINl RNAi转基因作物中受到严重抑制，通过转基因方法，OsPINl基因在水稻内的过度表达或抑制会导致分蘖数和根冠比的改变，说明OsPINl基因在不定根出苗和分蘖中起重要作用。Qiao等通过RNAi抑制了水稻中OsGA20ox2基因（编码植物巾调节赤霉素合成的酶GA 20-氧化酶）的表达，导致转基因水稻中的一个表型表达低量的GA1，这种表型株高降低并形成一种半矮杆的表型，与野生型相比，茎秆更短，抗倒伏能力强，且生产率更高。Hu等的研究表明水稻组蛋白脱乙酰酶（ HDAC）基因的过度表达并不会产生有显著特点的表型，然而，通过miRNA使HDA703表达下调，减少了水稻花梗的伸长，RNAi沉默HDA704后，导致了水稻株高和叶型的改变。

3.2营养成分改善

世界范围内数以百万计的人口被慢性饥饿所影响，在发展中国家营养不良是最主要的问题，其中微量元素的缺乏会导致严重疾病甚至死亡。一种可行的解决方案是改善主食的营养品质，然而这些食物如水稻、玉米、小麦和豆类虽然能提供足够的卡路里和蛋白质，但并不是营养全面的作物，仅食用这类作物会导致维生素和矿物质的缺乏，例如主食米饭的人更易缺乏维生素A和铁元素。利用生物技术进行营养成分改良的安全件值得怀疑，因此这种方法的使用受到限制。RNAi因其高安全性，可用于改善作物的营养成分。

Eck等通过RNAi技术沉默了马铃薯中β-胡萝卜素羟化酶（BCH，能使β一胡萝卜素转变成玉米黄质）基因，从而增加了β-胡萝卜素的含量。过度食用高淀粉含量食品会导致二型糖尿病，直链淀粉不易被消化，不会显著增加餐后血糖，Regina等通过RNAi技术，生产了四种含有高直链淀粉含量的玉米品系。棉子酚对人类具有毒性，是降低棉籽价值的主要因素，Palle等利用RNAi技术沉默了陆地棉（Gossypium hirsutum）中δ-杜松烯合成慕因的表达，产生了超低含量棉子酚的棉籽。马建等为改良大豆品质，采用RNAi技术沉默了籽粒中脂肪氧化酶基因的表达，脂肪氧化酶活性降低，使大豆油粉含量得到提高。

3.3 非生物胁迫耐受性

环境胁迫因子如干旱、盐碱、水涝和气温大幅波动是影响农业生产力最主要的因素之一，对新基因的探寻，对其功能和胁迫应答反应的研究，能为培育耐高强度非生物胁迫作物提供基础。RNAi因其优异特性，已在多种植物的耐受性研究中得到应用，而miRNA在植物应对非生物胁追时有重要作用。

Jian等从水稻品种Oryza sativa L.中鉴定出新的与胁迫应答有关的miRNIAs，这些miRNAs能在水稻应对严寒、脱水和盐碱时参与到应答通路中。番茄红素-β -环化酶（LCY-β）是一种通过番茄红素的环化，参与α-和β一类胡萝卜素合成的关键酶，IbLCY-β基因与LCY-β有80%的序列同源性，Kim等将IbLCY-β一RNAi载体导入番茄愈伤组织，发现与未导入该载体的愈伤组织相比，抗干旱和盐碱的能力显著提高。Song等研究转录因子OsNAC5在水稻对非生物胁迫应答反应中的作用时，观察通过RNAi技术沉默OsNAC5后的品种，过量表达OsNAC5的品种，野生品种在严寒、干旱和盐碱等胁迫下的反应，发现沉默Os-NAC5后的品种耐受性最差，过量表达OsNAC5的品种耐受性最强。

通过RNAi技术能确定参与胁迫应答的关键因子，更好的理解植物抗环境胁迫的原理，为培育高环境胁迫耐性作物提供基础。

3.4生物胁迫抗性

植物长期受到生物环境因子包括病毒、细菌、真菌病原体、寄生性植物和食草昆虫等的攻击，严重限制了作物的生产力，对经济和生态造成严重影响，增强植物的生物胁迫抗性具有重要意义。许多小RNA（ sRNAs）积累在植物组织中，尽管在大小，序列，基因组中的分布不尽相同，但大多数sRNAs都能通过RNA沉默来抑制基因的调控，RNAi技术能在植物生物抗性的提高方面做出巨大贡献。

Schwind等研究出能通过生产小发卡RNA （hpRNA），从而对马铃薯纺锤类病毒（PSTVd）产生抗性的马铃薯品种。Fairbairn等在研究应对根结线虫的策略时，通过使转基因马铃薯表达针对根结线虫体内的转录因子Mj Tisll的hpRNA，沉默了Mj Tisll的表达，为食草害虫的治理开辟了新道路。Li等用能沉默褐飞虱和玉米螟体内目标基因的dsRNA浸泡水稻和玉米的根部，并给害虫喂食浸泡根部后的植物，发现害虫死亡率显著上升，说明可利用根部浸泡dsRNA的方法抵御害虫。

3.5次生代谢物的合成

植物次生代谢物质是一种能对人类健康产生影响的膳食成分，具有很高的经济价值，通过RNAi技术渊控对次生代谢物产生具有重要作用的多个基因，是一种高效的方法。

青蒿素是一种从青蒿（Artemisia carvifolia）中提取出的高效抗疟疾药物，然而青蒿素在A.carvlfolia中的含量却很低，鲨烯合酶（ SQS）是甾醇合成途径中的关键酶，与青蒿素的合成为竞争关系，Zhang等通过hpRNA介导的RNAi技术成功抑制了sos基因的表达，从而增加了A. carvifolia中青蒿素的含量。马铃薯糖蛋白是一种蛋白酶抑制剂，属于马铃薯块茎蛋白的一种，马铃薯块茎可作为人体治疗性糖蛋白合成的生物反应器，Kim等利用RNAi技术减少了马铃薯糖蛋白的含量，将马铃薯块茎改造成一种高效的蛋白质表达系统。芥子油苷是芥菜（Brassica juncea）中的一种抗营养成分，且会降低进餐适口性，一般含量为80～120μmol/g，BjMYB28是参与芥子油苷合成的基因，Augustine，等通过RNAi技术沉默了BjMYB28的表达，将B.juncea中芥子油苷的含量降至11. 26μmol/g。

3.6有害成分的移除

无论是人工培养的还是自然牛长的作物，都含有某些有害物质，而清除这些有害物质又是一项繁杂的工作，RNAi技术在移除植物有害成分方面有着广泛地应用。

棉花是生产纤维和食用油的重要来源，而棉子酚是棉花中的毒性成分，Sunilkumar等通过sRNAs沉默了参与棉子酚合成的杜松烯合成基冈，降低了棉籽和棉籽油中棉子酚的含量。植物螯合肽（PCs）在重金属合成中有重要作用，为了降低水稻的镉含量，Li等用RNAi技术沉默了参与PCs合成的基因OsPCSl的表达，与普通水稻相比，RIxIAi水稻的镉含量降低了半。烟草中的N-亚硝基降烟碱（NNN）有致癌作用，在烟草中通过尼古丁N-脱甲基酶（ NND）合成，Lewis等利用RNAi技术沉默了NND基因的表达，使RNAi烟草的NNN含量与普通烟草相比降低了6倍。

3.7 水果贮藏寿命的延长

水果是膳食营养中一种重要的补充成分，然而水果在收获后处理的过程中会遭受巨量的损失，在世界范围内可达到数十亿美元，许多基因不仅参与到了水果成熟的过程中，还与水果的腐败有关，延缓水果的后熟进程已经成为研究热点。

果胶裂解酶（ PelC）能有效改善果肉硬度，Yang等鉴定了22种马铃薯中的PelC基因，发现SIPL在马铃薯成熟过程中显著表达，利用RNAi技术沉默了SIPL，增强了马铃薯果肉硬度并延长了贮藏寿命。Elitzur等通过RNAi技术沉默了与香蕉成熟有关的MaMADSl和MaMADS2的表达，发现香蕉变色和变软的过程延长，成功培育出成熟延缓、贮藏期延长的表型。

4结语

RNAi技术具有效率高，稳定性高，特异性强等优点，使其相比于传统的基因工程技术，在作物改良方面具有更广泛的应用。RNAi技术能对作物株型做出定向改变，使作物具有理想的农艺性状;能增强作物非生物胁迫耐受性与生物胁迫抗性，提高生活力;能改善营养成分并移除有害成分，增加对人体的营养价值;能增加次生代谢物的合成，提高作物经济价值;还能延长水果贮藏寿命，减少收获后处理造成的经济损失。

5展望

尽管RNAi技术在作物改良方面具有诸多优点，但该技术存在的问题还需进一步研究并解决，丰要存在的问题有：①有效siRNA的设计与合成;②有效干扰载体的构建;③某些RNA靶序列可能位于高度折疊的区域，或隐藏在二级结构下，不易接近siRNA，被识别并切割;④某些蛋白质会与RNA序列形成紧密复合物，阻碍siRNA识别这些序列;⑤某些基因与靶基因同源性较高，会被错误的沉默。

随着研究人员对植物基因组不断深入的研究和对RNAi技术的理解与逐步完善，再结合RNAi技术本身具有的高特异性、高稳定性及高安全性等优点，RNAi技术将会在植物特定基因的功能研究中占有越来越重要的地位.也会在作物改良方面有更加广泛的应用，为研究人员带来重要的科研价值并为改善国民生活作出巨大贡献。