Cell Reports | 浙江大学武亮团队揭示miRNA在作物耐逆种质创新中的利用

miRNA是长度为21-24nt的内源小分子RNA，通过剪切mRNA或抑制蛋白翻译调控靶标基因表达，参与植物生长发育、环境胁迫响应等众多生理生化过程。但是，目前miRNA直接在作物遗传改良中的利用鲜有报道。

近日，浙江大学武亮团队在国际知名期刊Cell Reports发表了题为“Bioengineering for robust tolerance against cold and drought stresses via co-overexpressing three Cu-miRNAs in major food crops”的研究论文，通过将三个Cu相关miRNA同时过表达，应用于对水稻、小麦和玉米三种主粮作物耐受低温、干旱优异种质资源的创制。

漆酶（LACCASE，LAC）是一种含铜的多酚氧化酶，广泛存在于植物、真菌和细菌中。漆酶能够催化木质素单体的氧化聚合，因此在木质素聚合过程中发挥关键作用。miR397、miR408、miR528可以靶向漆酶LAC、蓝铜蛋白（UCLACYANIN）、质体蓝素（PLASTOCYANIN）等蛋白的编码基因，因此也被称为Cu-miRNAs。该研究发现水稻中共有28个LAC基因，其中18个可以作为Cu-miRNAs的潜在靶标。通过将miR397、miR408、miR528前体串联并在水稻中进行过表达，发现转基因植株（3miR-OE）中大量LACs基因表达被抑制，且漆酶活性和木质素含量明显下降。转录组测序发现，3miR-OE导致苯丙烷代谢途径中的多个基因表达发生了变化；代谢组分析表明，3miR-OE不仅抑制了木质素合成，而且促进了类黄酮物质的积累。

在低温胁迫环境下，以粳稻日本晴为背景的3miR-OE水稻比WT和miR408-OE植株在幼苗期和成株期均表现出更强的抗性，花粉育性、花药发育和结实率在冷胁迫下表现更好。同时，将3miR-OE导入籼稻背景的Kasalath中，发现其耐冷性效果更为突出，叶片损伤程度较野生型明显降低，而且显著增加了籽粒结实率。

由于miR397、miR408和miR528在单子叶植物中高度保守，研究进一步将3miR-OE载体转化至玉米和小麦中，发现二者转基因株系同样漆酶活性和木质素含量降低，而类黄酮代谢产物增加，并且玉米的耐寒性和小麦的抗旱性得到了显著提升，表明同时过表达Cu-miRNAs对于提高三大粮食作物低温、干旱等非生物胁迫抗性具有较好的效果，未来也适用于改良其他农作物对不利环境的耐受性。

综上所述，该研究介绍了一种通过基因工程手段，改良作物耐逆性的有效方式，为现代生物技术育种提供了新思路。

浙江大学农学院海南专项博士研究生洪哲源为第一作者，武亮教授为通讯作者。沈雨欣、刘传佳、Muhammad Sajid、张雅琦和海南大学徐航也参与了该研究。同时该研究工作得到了浙江大学海南研究院郭芾、河南农业大学牛洪斌、福建农林大学李生平和浙江大学周伟军等老师的帮助和支持。此项研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然基金和崖州湾科技城海南专项博士研究生科学研究项目以及三亚市科技创新专项基金的资助。

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)01179-3