RNA 干扰在植物应用中的过去和未来

反义 RNA 可引发植物抗病性和翻译后基因沉默 (PTGS)。RNA 干扰 (RNAi) 的普遍机制被证明是由双链 RNA (dsRNA) 诱导的，双链 RNA 是病毒复制过程中产生的中间产物。具有单链正义 RNA 基因组的植物病毒有助于发现和表征系统性 RNA 沉默和抑制。越来越多的 RNA 沉默应用已经出现，涉及通过喷雾诱导基因沉默 (SIGS) 外源应用 dsRNA，为作物保护和改良提供特异性和环境友好的选择。

RNA 沉默是真核生物中一种革命性的先天免疫机制，极大地扩展了我们对植物基因表达和调控的认识。RNA 干扰 (RNAi) 是一种重要的调控机制，已成为植物研究的宝贵工具，特别是在了解基因调控对非生物和生物胁迫的反应方面的影响。RNAi 使研究人员能够深入了解植物的基因功能、害虫抗性和生理过程。尽管众所周知 RNA 在生物学中起着关键作用，但这种核酸的广泛功能和复杂性仍然难以捉摸，也没有得到充分理解。相对不稳定的、通常是单链 RNA 分子的内在性质以及 RNA 依赖性酶的有限可用性减缓了表征和进展。传统研究主要集中在信使转录本 (mRNA)、转移 RNA (tRNA) 和核糖体 RNA (rRNA)，但这些分子对生命的普遍性仍被低估。具有 RNA 基因组 (gRNA) 的病毒（植物中病毒的主要基因组类型）的出现为研究 RNA 功能和基因表达提供了一个非凡的平台。在相对较短的时间内，动态 RNA 分子的知识急剧增加，我们对 RNA 功能和应用的理解迅速扩展。这篇综述总结了 RNAi 发现和表征的关键进展，并研究了在植物中的应用，以推进农业生物技术、作物工程、害虫控制和病毒抗性。

植物病毒可引起世界范围内农作物的重大疾病。管理依赖于涉及病毒根除和传播预防的策略组合。早期研究报告了植物中交叉保护的发生，其中感染温和的病毒株可防止感染更多致病性菌株。基于这种现象的一个重大进展，以及引入病毒外壳蛋白可能提供保护的建议，是在将烟草花叶病毒 (TMV) 外壳蛋白 mRNA 引入转基因烟草时观察到的抗性。随后的几项研究报告了对其他植物单链 RNA (ssRNA) 病毒组的类似抗性，包括 Solemoviridae 家族，这是世界上对许多重要作物最具破坏性的病毒组之一。分子鉴定和控制 Solemoviridae 特别具有挑战性，因为它们受韧皮部限制，并由特定的蚜虫以持续的循环方式传播。

值得注意的是，用马铃薯卷叶病毒的 Polerovirus 属外壳蛋白反义 RNA 对植物进行的转化产生了与相应的有义 mRNA 相似的高水平病毒滴度降低和抗病性。反应迅速，所有转化植物都表现出序列特异性的持续高水平免疫力，无论病毒接种浓度如何（图 1）。桃蚜 Myzus persicae 的病毒载体传播减少了，叶子和块茎中的病害症状也消除了。这表明 RNA 能够作为触发分子赋予抗性，随后在其他植物病毒组中也被观察到。RNA 病毒的复制中间体包括双链 RNA (dsRNA) 和 dsRNA 二级结构，它们的产生是为了调节基因表达，并且由于广泛存在的弹性 ssRNA 核糖核酸酶，与 ssRNA 相比相对稳定。用反义 RNA 实现的抗病性证明了 RNA 固有的抵御病原体的能力。

图 1. RNA 干扰 (RNAi) 对抗病毒感染

基因工程植物中稳定或瞬时表达的基因和核酸通常用于研究基因功能或具有商业价值的产品的异源生产。使用 RNA 病毒的全长感染性克隆 (FLIC) 促进了目标基因的扩增，提供了一个方便的载体平台，可以绕过 RNAi 进行定点突变，增加或减少基因表达以表征 PTGS 并产生有价值的异源商业 产品。病毒诱导基因沉默 (VIGS) 的应用已成功利用多种 RNA 病毒载体，包括烟草脆裂病毒 (TRV)、马铃薯 Y 病毒 (PVY)、TMV 和 PLRV [18,19,20,21]。不同的病毒载体具有特定的优势，例如滴度和组织特异性。例如，田间种植的植物受到监管机构的严格控制，以限制媒介在环境中的意外传播。当衣壳通读蛋白被异源核酸取代时，PLRV FLIC 的韧皮部特异性表达不会通过机械或载体传递，从而消除了遗传物质的意外移动（图 2）。

图 2. RNA病毒复制与应用

将 RNAi 作为叶面喷雾剂应用已引起特别的兴趣，特别是因为它有望转化为可用于商业用途的可行且特定的生物农药。该技术被称为喷雾诱导基因沉默 (SIGS)，它是一种允许对植物害虫和病原体进行非转化控制的方法 。该机制涉及通过叶面喷雾将长 siRNA 和 dsRNA 应用到受影响的宿主，当被目标害虫或病原体消耗时会诱导 RNAi。这种机制可以允许对有害病原体进行特定控制，而不会产生化学农药可能对周围生态系统产生的一些下游影响。迄今为止，SIGS 已成功治疗多种病原体和害虫。这种技术的一个主要缺点是 ssRNA 甚至 dsRNA 都相对不稳定，尤其是当暴露于自然环境时。围绕 SIGS 策略的大量努力正在测试各种涂层和方法，以稳定 RNA 以实现更高的效率。

已发表的外源性应用 RNA 研究报告说，在超过 30 天的活动中，功效高达 100%，并且受到许多参数的影响，包括遗传目标、RNA 大小和环境。然而，尽管取得了所有这些成功，但总有需要改进的地方和许多障碍，这些障碍继续对 SIGS 构成挑战。首先，如前所述，dsRNA 的环境生存期相对较短，但从监管角度来看可能是一个优势，因为该分子不会持续存在并污染环境。提高这种效率的一些方法包括使用脂质体或纳米颗粒作为转染剂，甚至是对 dsRNA 的一条或两条链进行化学修饰。由于聚合物纳米粒子的整体稳定性、易于表面改性、它们的生物降解性和环境安全性，已经合成和使用了聚合物纳米粒子。一种流行的聚合物是一种称为壳聚糖的聚合物，由于其相对便宜的成本、无毒性和一般的生物降解性而经常被使用 。塔宁等人使用阳离子脂质体品牌 Lipofectamine 包被 dsRNA 可实现 40-50% 的基因沉默效率。如果不使用转染剂，他们无法实现通过 RNAi 诱导基因沉默的目标。化学修饰由于其高成本和普遍的安全问题而不经常使用，但它们可用于提高分子稳定性、增加双链 siRNA 在体内的半衰期、将 siRNA 靶向特定细胞以及许多其他功能.

RNA 沉默是植物先天免疫和基因调控的重要组成部分，可用于应用的工具数量迅速增加。正在积极探索 dsRNA 的功效和生存能力，以满足特定的环境和行业要求。使用聚合的、基于脂质的和无机的纳米粒子可以提高外源 RNA 的生存能力和摄取。合成生物学的进步为通过 siRNA 递送调节代谢和免疫途径来优化性状开辟了新的可能性。在植物中通过 RISC 反应观察到的触发器和信号的系统性细胞和植物运动有助于保护未暴露于 dsRNA 的组织。随着对这项引人入胜的技术的研究继续进行，农业改良应用的新可能性不断出现，例如创造出产量更高、营养价值更高、抗病虫害、适应环境和气候变化以及更高产量和更高营养价值的改良作物。质量。预计 RNAi 技术在植物和随后的其他生物有机体中应用的未来发展。例如，在基因沉默中控制表观遗传因素的研究将对农业生物技术和基础进化研究产生重要影响。RNA 干扰在作物改良、害虫管理和人类保健治疗领域的未来发展和应用仍有许多令人兴奋的可能性。

原文链接：

https://doi.org/10.3390/ijms24119755