Non-coding RNAs as potent tools for crop improvement

如何有效提高农业产品的产量来满足人类的需求？如何提高农作物对抗虫害和不良条件的能力？如何改善农作物性状使得农产品更为营养和健康？数个世纪以来，人们一直探索和实践着改良作物的方法。传统的作物改良方法如自然随机杂交和人工设计杂交虽能取得一定的效果，但费时费力且效率低下。 现代生物技术尤其是分子生物学的发展加速了作物改良的进展。通过DNA重组方法，产生了一批转基因植物，作物性状得到有效改善，如：提高了作物产量，增强了抗虫性、耐旱性等。但是关于过表达外源基因产生的蛋白产物是否存在食品安全和环境问题的潜在隐患，质疑和争论从未停息。 近年来，非编码RNA的出现为作物改良提供了新的思路。非编码RNA是最近生物学领域研究的热门之一，却与作物改良有着较深的渊源。小干扰RNA就是从建立抗病毒植物的研究中发现的，并因此开创了一个崭新的生物学研究领域。非编码RNA是指不具备蛋白编码活性，但却具有调控功能的转录本。由于不编码蛋白产物，降低了引入外来蛋白的风险。那么，采用非编码RN是否代表一种更为安全策略呢？ 事实上，迄今为止，已经有多种利用非编码RNA成功进行作物改良的例子。为了对该领域的研究成果进行汇总和展望,本文着重介绍了RNA干扰技术在提高作物抗虫性及改善作物品质的应用并且针对非编码RNA的脱靶效应引起的潜在风险及对策进行了探讨。文章还介绍了植物基因组中长非编码RNA的发现和功能研究和基于引导RNA的最新基因编辑技术CRISPR/CAS9的研究进展，并对它们在作物改良中的应用前景进行了展望 。 文章指出：鉴于非编码RNA在基因调控中的重要作用，使其成为作物改良中的一个重要工具。例如，传统利用Bt蛋白的过表达来提高作物抗虫性，已经引发了一系列问题：昆虫已开始产生对Bt蛋白的耐受性，而RNA沉默可作为很好的替代策略。此外，RNA沉默也可用于作物改良。利用RNA干扰下调在植物代谢中的关键信号通路节点分子，使作物累积有利的代谢产物或者降低不利的代谢产物如过敏源蛋白。 对于基因编辑技术CRISPR/CAS，作者认为，该技术用于植物功能性基因组改造和作物改良将产生深远的影响。CRISPR/CAS是细菌中一种对外源DNA进行切割的防御系统。另外，通过对这一系统进行改良，该体系也可用于对植物基因组进行定点修饰。因而它将成为研究植物基因组和进行作物改良的重要工具。 然而，不论是RNAi还是CRISPR/CAS技术, 这些基于核酸配对的识别性均存在错配的可能，在用于作物改良时，需要对构建体或者引导序列进行慎重选择和精确设计来降低可能的脱靶效应。