综述：非生物胁迫诱导的环状RNA：对植物胁迫耐受性的启示

《Plant Physiology and Biochemistry》：Abiotic Stress-Induced Circular RNAs: Implications for Plant Stress Tolerance

本综述系统阐述了环状RNA（circRNA）在植物响应干旱、盐碱、极端温度等非生物胁迫中的最新研究进展。文章详细介绍了circRNA的闭合环状结构、组织特异性表达模式及其作为竞争性内源RNA（ceRNA）通过吸附microRNA（miRNA）调控下游基因表达的分子机制，重点总结了circRNA–miRNA–mRNA调控网络在植物胁迫适应中的作用，并探讨了利用合成生物学方法改造circRNA以培育抗逆作物的潜在应用前景。

　　

引言

植物固着生长的特性使其无法主动逃避不利环境因素，这些非生物胁迫因素如干旱、盐碱、极端温度等严重制约作物产量。植物通过复杂的调控网络应对这些挑战，其中非编码RNA（ncRNA）扮演着关键角色。环状RNA（circRNA）作为一类新近备受关注的ncRNA，以其稳定的共价闭合环状结构和组织特异性表达模式，在植物胁迫适应中起着重要调控作用。

circRNA的生物发生与特征

circRNA是由前体mRNA通过反向剪接形成的闭合环状转录本，其3‘和5’末端共价连接。与线性RNA相比，circRNA因其特殊的环状结构而具有更高的稳定性。根据其基因组来源，circRNA主要分为外显子circRNA（EcircRNA）、内含子circRNA（IcircRNA）、外显子-内含子circRNA（EIcircRNA）和基因间circRNA（IGcircRNA）。在植物中，circRNA的侧翼区域通常缺乏重复或反向互补序列的富集，表明其形成机制可能不同于动物。

circRNA的检测需要特殊方法，因为它们缺乏poly(A)尾，无法通过常规的poly(A)富集方法捕获。利用RNase R（一种能有效降解线性RNA的3‘-5’外切核糖核酸酶）处理可富集circRNA，再结合非poly(A)RNA测序技术和专门的生物信息学流程，可实现circRNA的高通量鉴定。

自首次在拟南芥中发现以来，circRNA已在水稻、小麦、玉米、葡萄等30多种植物中被鉴定。植物circRNA数据库如PlantCircRNA和PlantCircBase的建立，为研究提供了重要资源。

circRNA的功能机制

circRNA的功能与其细胞定位密切相关。在植物中，最受关注的功能是作为竞争性内源RNA（ceRNA），通过“分子海绵”作用吸附microRNA（miRNA），从而解除miRNA对其靶基因mRNA的抑制，调控基因表达。这一circRNA–miRNA–mRNA调控网络被认为是植物响应非生物胁迫的核心机制之一。此外，circRNA还可能通过调节亲本基因转录、与RNA结合蛋白（RBP）相互作用等方式发挥功能，但这些在植物中的证据仍有限。

circRNA在特定非生物胁迫响应中的作用

盐胁迫

盐胁迫是影响植物生长的主要非生物胁迫之一。研究表明，过表达葡萄来源的Vv-circSIZ1能增强葡萄和本氏烟对盐胁迫的耐受性。Vv-circSIZ1具有双重功能：一方面作为ceRNA吸附miRNA VvmiR3631，解除其对靶基因VvVHAc1（参与离子稳态）的抑制；另一方面能正反馈促进其亲本基因SIZ1的转录。另一葡萄circRNAVv-circPAS1的过表达也能赋予转基因拟南芥和葡萄愈伤组织更高的耐盐性，且其线性RNA片段无此功能，凸显了环状结构的重要性。在苹果中，circRNA novel_circ_000898和novel_circ_001519被预测可作为mdm-miR10995的海绵，上调COBL7基因表达，参与盐胁迫响应。水稻中，利用CRISPR-Cas9敲除Os06circ02797circRNA位点，导致OsMIR408活性升高，影响幼苗生长，直接证明了circRNA通过吸附miRNA行使功能的遗传证据。

干旱胁迫

干旱胁迫下，拟南芥中的Ath-circ032768被证实可作为miR472的分子海绵，抑制miR472对其靶基因RPS5（编码胁迫抗性蛋白）的降解。过表达Ath-circ032768或抑制miR472均能增强植物的抗旱性。来自藓类的PecircCDPK在拟南芥中异源表达能改善根系发育、水分保持、抗氧化响应和气孔调节，从而提高抗旱性。玉米中的circZmMED16过表达也能显著提高拟南芥在干旱处理后的存活率。

温度胁迫

低温胁迫下，茶树中的CSS-circFAB1（来源于脂肪酸生物合成相关基因FAB1同源物）表达上调，其沉默导致茶树耐寒性受损。葡萄Vv-circATS1（来源于甘油酯代谢相关基因ATS1）在拟南芥中过表达可增强耐寒性，并改变miRNA表达谱（如增加耐寒相关miR156和miR396）。其线性RNA无此效果。大豆中的Gma_circ_0000678被预测可吸附gma-miR4378b，调控可能与耐寒性相关的SERK1基因表达。在棉花中，推测的ceRNA网络如circRNA346-miR159a-MYB33可能参与热胁迫下花粉育性的调控。

营养胁迫

氮胁迫下，毛竹根中的circRNA PeSca_6:12,316,320|12,372,905被证实可调控多个miRNA（如novel_miR156）及其靶基因的表达，构成ceRNA网络。在油菜中，也预测了响应氮、磷、钾缺乏的circRNA–miRNA–mRNA互作网络。

金属毒性胁迫

铜胁迫下，水稻中的circGDSL（来源于GDSL脂肪酶结构域基因家族）可作为miR1850.1的海绵，解除其对OPR3基因（茉莉酸JA生物合成关键基因）的抑制，通过激活JA信号通路提高铜耐受性。

circRNA的生物技术应用前景

基于circRNA的调控机制，可将其开发为生物技术工具。例如，设计合成circRNA作为分子海绵，特异性吸附在胁迫响应中起负调控作用的miRNA（如miR169、miR398），从而精细调控基因表达，培育抗逆作物。利用胁迫诱导型启动子（如RD29a）驱动circRNA表达，可实现胁迫条件下的特异性调控。此外，circRNA的稳定性使其有潜力作为蛋白质表达的载体，通过引入内部核糖体进入位点（IRES）实现蛋白的持久翻译。然而，这些应用策略仍需优化，特别是在植物中进行功能验证。

结论与展望

circRNA作为植物非生物胁迫响应网络中的关键调控因子，其研究正深入展开。尽管在功能验证和机制解析方面仍面临挑战，但circRNA–miRNA–mRNA网络的阐明为理解植物胁迫适应性提供了新视角。利用合成生物学手段改造circRNA，为未来作物抗逆育种提供了富有潜力的新途径。深入解析circRNA生物发生和功能的调控机制，将是推动其基础研究和应用开发的关键。