全 文 ：·综述与专论· 2016, 32(4):6-15
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 ：2015-8-24
基金项目 ：农业部国家转基因生物新品种培育重大专项（2014ZX08010-002），国家自然科学基金项目，（31271746，31201144，31101091），
吉林省科技厅重点科技攻关项目（20150204027NY）
作者简介 ：刘伟灿，女，博士研究生，研究方向 ：植物抗逆分子生物学与基因工程，E-mail ：liuweican602@163.com ；
周永刚同为本文第一作者
通讯作者 ：李海燕，女，博士，教授，研究方向 ：植物抗逆分子生物学与基因工程 ；E-mail ：hyli99@163.com
随着世界人口的增长，土地和水资源缺乏，全
球气候变化，使人们担忧未来全球粮食产量能否满
足人们日益增长的粮食需求。尤其，我国是世界人
口最多的国家之一，满足 13 亿人口的粮食需求，一
植物 MicroRNA 介导的基因调控在作物改良中的
应用潜能
刘伟灿  周永刚  王兴超  王法微  王南  董园园  李晓薇  李海燕
（吉林农业大学生命科学学院 生物反应器与药物开发教育部工程研究中心，长春 130118）
摘 要 ： 植物 MicroRNAs（miRNAs）是长度约 22 个核苷酸的內源、单链、非编码、小分子 RNA，通过降解或抑制靶
mRNA 介导转录后沉默。随着高通量测序技术及各种研究技术的进步，越来越多的 microRNA 被测序和验证，为利用基因工程手
段进行作物改良提供了丰富的候选基因资源。综述了 miRNAs 在生物胁迫、非生物胁迫和植物生长发育等方面的最新研究进展，
同时分析了 miRNAs 介导的基因调控在作物改良中的应用潜能，并介绍了几种基于 miRNA 作用机制的植物基因工程改良作物的
转基因新技术，如靶基因 RNAi，人工 miRNAs（amiRNAs），Target Mimics（TM），超表达 miRNA-resistant tagerts ；也讨论了基于
miRNA 作用机制的转基因技术所面临的风险和挑战。
关键词 ： MicroRNAs ；靶基因 ；作物改良 ；RNAi ；amiRNAs ；Target mimics ；miRNA-resistant tagerts
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.04.001
The Potential Application of microRNA-mediated Gene Regulation in
Crop Improvement
LIU Wei-can ZHOU Yong-gang WANG Xing-chao WANG Fa-wei WANG Nan DONG Yuan-yuan
LI Xiao-wei LI Hai-yan
（College of Life Sciences，Engineering Research Center of Chinese Ministry of Education for Bioreactor and Pharmaceutical Development，Jilin
Agricultural University，Changchun 130118）
Abstract: Plant microRNAs（miRNAs）are small RNAs of approximate 22 nt，endogenous，single-strand，and non-coding. They play
regulatory roles at post-transcription level by inhibiting translation or promoting the degradation of target mRNAs. With the advances in high-
throughput sequencing technology and a variety of research techniques，more and more microRNAs have been predicted and validated，which
provide a rich candidate gene resources for crop improvement through genetic engineering. This review highlights the recent advances in studies
of biotic stress，abiotic stress，as well as plant growth and development，and then analyzes the potential of miRNA-mediated gene regulation
for crop improvement. In addition，several transgenic technologies for genetically modified crops in plant genetic engineering with miRNA-based
gene regulation are introduced，including RNAi of target gene，artificial miRNAs（amiRNAs），target mimics（TM）and over-expressing
miRNA-resistant targets. Also the potential risks and challenges of miRNA-based genetic modification technology are discussed.
Key words: microRNAs ；target gene ；crop improvement ；RNAi ；amiRNAs ；target mimics ；miRNA-resistant targets
2016,32(4) 7刘伟灿等：植物MicroRNA 介导的基因调控在作物改良中的应用潜能
直是我国的头等大事。要解决这个问题，除了保持
水土和利用传统育种方式提高作物产量和质量外，
更需要一种新的快速有效的农业新技术。转基因技
术是现代生物技术的核心，运用转基因技术培育高
产、优质、多抗、高效的新品种，降低农药、肥料
投入，对缓解资源约束，保护生态环境、改善产品
品质、拓展农业功能等具有重要作用。目前，世界
许多国家都把转基因生物技术作为支撑发展、引领
未来的战略选择，转基因技术已成为各国抢占科技
制高点和增强农业国际竞争力的战略重点［1］。
MicroRNA（miRNA） 是 生 物 体 内 普 遍 存 在 的
一种内源、非编码、长度约 21-25 个核苷酸的小分
子单链 RNA。在植物中，miRNA 通过与靶ｍ RNA
分子不完全互补配对来识别靶基因 mRNA，降解靶
mRNA 或抑制靶 mRNA 的翻译，从而调节靶 mRNA
的丰度和功能［2］。miRNA 的表达不受翻译过程影响，
比蛋白基因更迅速，调控效率更高。同一个 miRNA
可抑制多个靶基因的功能，同一个靶基因又可被多
个 miRNA 所调控。miRNA 是 1993 年最早发现于线
虫中［3］。此后，大量的 miRNA 被测序和验证。目
前，miRBase（Release 21）数据库中共收录了 223
个物种的 28 645 个前体 miRNAs 序列和 35 828 个成
熟 miRNA 序列信息。研究发现，miRNAs 在病原体
侵入，环境胁迫响应和植物生长发育等方面发挥着
重要的调控作用，为利用基因工程手段进行作物改
良提供了丰富的候选基因资源［4-8］。基于 miRNA 的
转基因技术可通过增加植物耐受生物和非生物胁迫
的能力及增加生物量来发展优质的作物品种，提高
边际土地的利用率，减少农药的使用量，促进农业
生产力发展［9］。
本文综述了 miRNAs 在生物胁迫、非生物胁迫
和植物生长发育等方面研究的最新进展，同时分析
了 miRNAs 介导的基因调控在作物改良中的应用潜
能，并介绍了几种主要的基于 miRNA 作用机制的植
物基因工程应用策略，也讨论了基于 miRNA 的转基
因技术所面临的风险、挑战。旨在为利用植物基因
工程技术改良作物提供理论参考。
1 植物 MicroRNA 研究进展
植物在生长过程中，不可避免地要耐受各种生
物胁迫和非生物胁迫的影响。长期的进化也使植物
形成了适应各种胁迫的机制。随着对大量胁迫处理
材料小 RNA 数据信息的分析和对特定 miRNAs 功能
鉴定研究数据的积累，植物 miRNAs 通过转录后的
基因调控，在各种胁迫响应中发挥重要作用的潜在
分子机制陆续被揭开。此外，miRNAs 还参与调控植
物开花、结实、分蘖等生长发育过程，进而影响植
物形态构建和生物产量。近几年，基于 miRNA 机制
的转基因技术成为新的研究热点，国内外学者都希
望从中得到改善作物耐受胁迫能力和提高作物产量
的新途径。本部分主要介绍 miRNA 介导的基因调控
在生物胁迫、非生物胁迫和植物生长发育方面的最
新研究进展（表 1）。
1.1 植物miRNA和生物胁迫
目前，miRNA 介导的植物抗生物胁迫相关研究
主要集中在通过深度测序和计算机数据分析生物胁
迫相关的 miRNAs，特定 miRNAs 相应各种生物胁迫
的相关功能的鉴定仍需进一步深入的研究。但迄今
获得的数据可清楚地表明，miRNA 与植物复杂的抗
生物胁迫防御机制相关。
植物病菌（病毒、细菌和真菌）感染和病虫害（害
虫和线虫）是影响植物生长发育的两个主要的生物
胁迫。（1）植物 miRNAs 与病毒。在长期的进化过
程中，植物形成了一种 RNA 沉默（RNA silencing）
途径来抵抗病毒侵染。相反，植物病毒通过编码
RNA 沉默抑制子（viral suppressors of RNA silencing，
VSR）来抵抗寄主的这种防御反应，达到顺利侵染
目的。许多证据表明，植物 miRNA 与病毒侵染的
这种防御过程有关。如 miR160、miR166、miR167、
miR171 和 miR396 家族在水稻响应条叶枯病毒（RSV）
感染时被积累［10］。（2）植物 miRNAs 与细菌。植
物的固有免疫系统依赖于模式识别受体（PRRs）与
病原相关模式分子（PAMPs）的相互作用对入侵病
原体进行识别，导致 PAMP 触发的免疫反应 PTI，
从而参与免疫调节［11］。miRNA 也是这种防御机制
的一部分。拟南芥 miR393 就是最早系统报导的通
过调节生长素信号转导途径在植物抗丁香假单胞
菌（Pseudomonas syringae）等细菌性病中起作用的
miRNA［12，13］。另外，植物进化出 NBS-LRR 免疫受
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.48
体，特异识别在感染过程中注入植物细胞内的病原
体效应因子，导致触发免疫反应 ETI，作为植物免
疫的第二道防线［11］。MicroRNAs 作为一种缓冲调节
剂调控着 NBS-LRR 类 R 基因，使植物在正常生长
状态下，NBS-LRR 类基因的转录水平限制在最低水
平。当植物（如棉花、番茄等）受到病毒，细菌或
真菌等病菌感染时，某些 MicroRNAs（如 miR482）
的表达下调，而其对应的靶基因 NBS-LRR 上调，从
而调节植物相应疾病［14］。（3）植物 miRNAs 与真
菌。miRNAs 和植物与根瘤菌的共生固氮作用密切
相关。例如，miR171 和 miR397 被鉴定与豆科植物
生物固氮过程中的共生感染和结节有关［13］。（4）植
物 miRNAs 与抗虫。研究表明，在烟草中超表达人
工 amiR-24，amiR-24 可以靶向作用棉铃虫的几丁质
酶基因，使棉铃虫幼虫停止蜕皮而死亡［15］。因此，
MicroRNA 介导的基因调控技术具有替代 Bt 毒素技
术的潜能。（5）植物与线虫感染作用相关。比较分
析大豆受大豆胞囊线虫（SCN）感染后的 miRNA 表
达谱发现，在大豆胞囊线虫抗性品种和易感品种之
间，有 20 个 miRNAs 特异表达［16］。
1.2 植物miRNA与非生物逆境胁迫
在植物生长过程中，常会受到来自环境的多种
非生物胁迫影响，非生物胁迫包括干旱、盐碱、高
低温、氧化、营养缺失、重金属及 UV-B 辐射等。
植物根据逆境种类及胁迫程度可自身诱导或抑制相
应 miRNA 表达来调控相关基因表达水平，使植物改
变生理状态而适应不同程度的逆境胁迫。目前，不
同逆境条件下或相同逆境的不同胁迫程度处理下，
表 1 植物 MicroRNA 在生物胁迫、非生物胁迫和植物生长发育方面的最新研究进展
miRNA 来源 已验证或预测的靶基因 功能描述 调控方式 参考文献
miR482 棉花 NBS-LRR 类抗病蛋白 真菌感染 负向调控 ［14］
miR482e 马铃薯 NBS-LRR 类抗病蛋白 棉花黄萎病菌感染 负向调控 ［22］
miR7695 水稻 OsNramp6 抗稻瘟病菌感染 正向调控 ［23］
miR160/miR393 木薯 ARF10/TIR1 炭疽病菌感染 正向调控 ［24］
miR172 大豆 NNC1 根瘤菌（生物固氮） 正向调控 ［25］
miR172 水稻 TOE1，TOE2 水稻条纹病毒 RSV 正向调控 ［26］
miR159 番茄 GAMYB 黄瓜花叶病毒 CMV 正向调控 ［27］
miR159 马铃薯 StGAMyb 干旱胁迫 负向调控 ［28］
miR398，miR408 豌豆 CSD1， 干旱胁迫 正向调控 ［29］
miR396 拟南芥 GRF 干旱胁迫 正向调控 ［30］
miR167 拟南芥 IAR3 干旱胁迫 负向调控 ［31］
miR169 玉米，大豆 NF-YA 干旱胁迫，盐胁迫 负向调控 ［32-35］
miR393 水稻 OsTIR1，OsAFB2 干旱和盐胁迫 负向调控 ［36］
miR159 小麦 GAMYB 热胁迫 负向调控 ［37］
miR319 水稻 OsPCF，OsTCP 冷胁迫 正向调控 ［38-40］
miR398 拟南芥 CSD1，CSD2，CCS 热胁迫 正向调控 ［41］
miR398 水稻 CSD 铜胁迫 负向调控 ［42］
miR398 菜豆 CSD1，Nod19 参与氧化反应，调节铜动态平衡 负向调控 ［43］
miR408 小麦 . TaCLP1 高盐胁迫、铜胁迫和条锈病菌感染 负向调控 ［44］
miR395 油菜 BnSultr，BnAPS 镉（Cd）胁迫 负向调控 ［45，46］
miR395 拟南芥 ATPS，SULTR2 硫酸盐胁迫 负向调控 ［47］
miR396 拟南芥 GRF UV-B 辐射 正向调控 ［48］
miR156 水稻 OsSPL 植株变矮，分蘖多 正向调控 ［49］
miR397 水稻 OsLAC 晶粒尺寸，穗分蘖 正向调控 ［21］
miR168 番茄 SlAGO1A，SlAGO1B 决定叶片、果实等发育过程 正向调控 ［50］
miR156 烟草 SPL 延迟生长，抑制开花 负向调控 ［51］
miR393 水稻 AFB2，TIR1 生长发育，分蘖等 正向调控 ［52］
miR408 水稻 VIN1 种子发育 正向调控 ［53］
2016,32(4) 9刘伟灿等：植物MicroRNA 介导的基因调控在作物改良中的应用潜能
已测序和鉴定出了大量与逆境相关的 miRNA。2011
年，Li 等［17］对干旱、盐、碱胁迫下的大豆幼苗进
行 小 RNA 高 通 量 测 序，71、50 和 45 个 miRNA 分
别在 3 种胁迫下特异表达，表明在不同胁迫下有不
同 的 miRNA 被 特 异 诱 导 表 达。2014 年，Li 等［18］
首次以芹菜为材料，利用 qPCR 对冷和热胁迫下
的 miR160、miR164、miR168、miR394、miR395 和
miR408 共 6 个 miRNAs 进行分析，结果显示，这 6
个 miRNAs 在短时间内与温度胁迫响应有关。2015
年，Panda 等［19］对营养缺失胁迫条件下的 miRNA
进行了综述，一些植物在磷缺失的土壤基质中可诱
导 miR399，硫缺失可诱导 miR395，铜缺失可诱导
miR398、miR397 和 miR408。作者推论植物中被营
养缺失胁迫诱导的 miRNAs 可能参与氧化还原和活
性氧信号（ROS）途径。此外，Ultraviolet-B（UV-B）
辐射也是影响作物生长和发育的主要因素。Northern
blotting 发现在小麦中 6 个 miRNAs 高度响应 UV-B，
其 中，miR159、miR167a 和 miR171 上 调，miR156、
miR164 和 miR395 下调［20］。
1.3 MicroRNA与植物生长发育
MicroRNA 在植物生长发育过程中，可参与调
控植物分蘖、开花、结实、果粒尺寸等过程，进而
影响植物生物产量与生物量。挖掘与水稻产量相关
的 miRNA 分子，阐明其生物学功能与作用机理，对
了解作物产量的遗传调控机制、提高作物产量有重
要意义。0smiR397 是第一个被发现能够正调控水稻
产量性状的 miRNA，在水稻中过表达 OsmiR397 可
以显著增大种子的体积及千粒重，还能促进穗分支，
使每穗粒数显著增多，以及促使开花提前等。研究
OsmiR397 增加水稻产量的分子机制发现，OsmiR397
是通过切割其靶基因 OsLAC 实现功能的［21］。miR397
在许多物种中都是高度保守的，这一发现不仅可以
为水稻增产提供新的分子生物学方法，而且可以应
用到其他物种中。
2 相关 miRNA 的转基因应用策略
随着高通量测序技术和生物信息学技术的发展，
越来越多的植物 miRNAs 与其靶基因被预测和验证，
植物 miRNAs 为利用基因工程手段进行作物改造提
供了新的丰富候选基因资源。一些基于 miRNA 作用
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miRNA䶦สഐ 䶦สഐ䎵㺘䗮miRNA-resistant䎵㺘䗮靶基因 Target MTMTCs
图 1 miRNA 的转基因应用策略
机制的转基因技术也进一步发展并被成功应用于植
物品种的改造，为开发优良农艺性状的基因工程作
物新品系提供新的技术手段。目前，基于 miRNA 与
其靶基因作用机制的植物品种改良转基因技术大致
分为两种策略（图 1）：（1）当候选 miRNA 正向调
节目标农艺性状时，可以采用超表达 miRNAs 或人
工 amiRNAs 的方式加强 miRNA 对靶基因的调控作
用，也可以采用 RNAi 直接敲除靶基因的方式，削
弱靶基因作用，从而促进期望的优良农艺性状 ；（2）
当候选 miRNAs 负向调节目标农艺性状时，可以采
用人工 Target Mimics 方式吸附 miRNA，降低 miRNA
对其内源靶基因的沉默作用，也可超表达靶基因或
miRNA-resistant 靶基因来直接增强靶基因的有效活
性，最终促进目标性状。此外，以上转基因技术可
灵活配用组成型，胁迫诱导型或组织特异型启动子，
从而使以上基因表达在特定时期和特定的组织中实
现时空调控，也可通过更换强或弱启动子调控基因
表达程度，使以上转基因技术更将合理的运用于改
良经济作物的遗传性状。本部分针对基于 miRNA 与
其靶基因作用机制的几种重要的转基因技术具体介
绍如下。
2.1 靶基因RNAi
RNA 干扰技术（RNAi）是由互补的内源或外
源双链 RNA（dsRNA）切割而成的反义 siRNA 形成
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.410
的沉默复合体（RISC），降解同源互补 mRNA 的现
象，RNA 干扰技术可以敲除或沉默某特定基因的表
达。当候选 miRNA 通过作用的靶基因正向调控目标
性状时，通常采用 miRNA 的超表达策略增强转基因
植物的性能。然而，由于 miRNA 的基因多效性（即
同一 miRNA 可靶向负调控多种 mRNA）会导致非目
的靶基因被同时调控，而造成负面影响。因此，此
时可采用 RNAi 干扰技术操纵特定 miRNA 靶基因的
沉默来避免 miRNA 超表达导致的边缘效应影响。例
如，在水稻中下调两个 miR319 靶标基因 OsPCF5 和
OsPCF8 中任意一个表达的 RNAi 植株，都导致低温
驯化后冷抗性的增强［33］。
2.2 amiRNAs
amiRNAs（artificial microRNAs） 是 模 拟 内
源 miRNA 的 生 成 途 径 人 工 设 计 合 成 的 miRNA。
amiRNA 技术的原理就是将内源 pre-miRNA 序列中
的 miRNA ：miRNA* 置换为人工设计好的 amiRNA ：
amiRNA* 转化到植物中，形成的 pre-amiRNA 在植物
体内按照内源 miRNA 的生物合成途径可产生成熟的
amiRNAs，从而介导靶基因的沉默表达。amiRNA 技
术可针对同一基因的不同靶位点设计多个 amiRNA
干扰载体，以此增强基因的沉默效率 ；也可针对多
个基因构建多个 amiRNA 串联的表达载体，实现多
基 因 的 同 时 沉 默。WMD3（http://wmd3.weigelworld.
org/）设计平台即可实现植物 amiRNA 序列，载体
及扩增引物的自动化设计。近期研究发现，转基因
衍生或病毒诱导的 siRNA 能通过植物大分子运输系
统扩散到其他组织，因此可能会对正常植物组织和
器官造成损伤，而 amiRNAs 却很少有非期望的沉默
信号的传播发生，具有较高的生物安全性［54-56］。此
外，siRNAs 不仅靶向候选的 RNA，也影响那些不
能精确互补的 RNA（脱靶效应），而 amiRNAs 设计
可选择与靶 mRNA 序列作用特异性高的序列，提高
作用的精准性［57］。因而，amiRNA 可能成为作物改
良的最有效工具之一，具有广阔的应用前景。目前，
amiRNA 技术已被成功应用于水稻［58］，马铃薯［59］、
棉花［60］及烟草［61］等多种作物的抗病毒品种培育研
究中。在实际生产中，作物常常遭遇多种病毒联合
侵染，传统的 RNAi 干扰技术只能使作物抵抗部分
病毒株系，无法培育获得具有持久广谱病毒抗性的
作物。amiRNA 与靶 mRNA 之间允许存在一定数量
的错配碱基，针对病毒基因组保守区设计 amiRNA，
能使转基因作物有效抵抗大多数病毒株系，并且即
使病毒基因发生了突变也依然保持对该病毒的抗性。
2.3 MiRNA Target Mimics（TM）
在 miRNAs 负 调 控 目 标 农 艺 性 状 时， 抑 制
miRNAs 的表达或上调它们的靶基因是改良作物的
有效策略，采用的手段分别是超表达 MiRNA Target
Mimics（TM）和超表达抗 miRNA 作用的同义突变
靶基因。MiRNA Target Mimics 是一种调节內源特定
miRNA 丰度的 miRNA 缺失技术。具体方法是通过
超表达 mimicry RNA，使其吸附大量与其互补配对的
成熟 miRNA，降低 miRNA 与其相应靶 mRNA 的结
合机会，从而阻止 miRNA 对其内源靶基因的沉默作
用。针对不同 miRNA 家族成员形成的成熟 miRNA，
设计相应的 Target Mimics，可以对 miRNA 特定家族
成员进行抑制沉默，也可用来沉默整个 miRNA 家族
成员［62］。Target Mimics 的作用最早是在研究 Pi 平衡
时被发现的。植物在缺磷胁迫下，miR399 被诱导降
解靶基因 PHO2，PHO2 编码的 E2 泛素相关结合蛋
白能够影响植物中磷的含量及磷的再利用过程［63］。
还发现 IPS1 家族基因在缺磷条件下被诱导产生，其
可通过保守区的互补序列与 miR399 互补结合，占
据 miR399，却不被降解，从而减少了 miR399 与靶
基 因 PHO2 的 结 合， 影 响 miR399 调 节 PHO2 基 因
的 能 力［64］。 在 拟 南 芥 中，miR165/miR166 调 控 的
REVALUTA（REV）基因是顶端分生组织的一个关
键调节因子，该基因的突变将影响植株的侧枝数量，
是 分 支 性 状 的 一 个 正 调 控 因 子。MIM165/MIM166
可 吸 附 miR165/miR166 而 不 被 降 解， 增 加 靶 基 因
REVALUTA（REV）的作用［65］。如果这种作用被应
用到单子叶植物的分蘖，可提高作物产量而获得农
业收益。
Target Mimics 植株对研究 miRNA 功能提供了一
个很好的研究材料和手段。Target Mimics 作为调节
內源 miRNAs 水平的一项新技术可应用于改良农业
性状和提高作物产量。然而，需要明确的是 Target
Mimics 对某一 miRNA 的限制作用，会导致 miRNA
2016,32(4) 11刘伟灿等：植物MicroRNA 介导的基因调控在作物改良中的应用潜能
对应所有靶基因的水平提高，而不是特定的某一目
的靶基因［54］。并且內源 Target Mimics 是否仅限于
非编码区尚不明确。所以，应用这项技术面临挑战。
例如，拟南芥 miR319 和 miR159 序列相近但属于
不同的 miRNA 家族，它们的靶基因分别是 TCP 和
MYB 基因。在 MIM319 和 MIM159 植株中，miR159
和 miR319 表达水平均减少，相应 MYB 和 TCP 表达
水平均提高，说明两种 Target Mimics 产生了意外的
交叉脱靶效应，对序列相近的 miR159 和 miR319 同
时产生了抑制作用［66］。
另 外， 已 经 证 实 通 过 miRNA 基 因 缺 失 来 研
究 microRNA 基 因 的 功 能 是 很 难 的， 因 为 大 多 数
miRNA 家族具有遗传冗繁性［67］。利用 miRNA 诱捕
技术，如 target MIMICs（MIMs）、short tandem target
MIMICs（STTMs）和 molecular SPONGEs（SPs），可
通过影响内源性 miRNA 的活性而产生 miRNA 功能
缺 失 表 型［67］。 如 cmSP165/166 与 STTM165/166 和
MIM165/166 相 比 表 现 出 较 强 的 效 应。MIM159 比
cmSP159 与 STTM159 效应强。总之，没有哪一种方
法能保证最强的 miRNA 抑制，而不同的 miRNA 家
族对各种方式有不同的反应。建议多种方式相结合，
可以获得期望的功能缺失结果［67］。
2.4 超表达miRNA-resistant tagerts　
miRNA-resistant tagerts 即抗 miRNA 作用的同义
突变靶基因，指的是通过改变靶基因与 miRNA 互
补区的核苷酸序列（不改变氨基酸序列），而打断
miRNA 与靶基因之间的序列配对连续性关系，从而
得到新的不受內源 miRNA 调节的靶基因。在植物
中超表达 miRNA-resistant tagerts 与直接超表达植物
miRNA 的內源靶基因相比，它们翻译产生的蛋白质
编码序列不变从而保证了靶基因功能的性质不变，
但 由 于 miRNA-resistant tagerts 基 因 可 以 避 免 内 源
miRNA 的 调 控 影 响， 因 此，miRNA-resistant tagerts
可以在转基因植物中积累更高的表达水平，功能更
显著。在实际研究中发现，在植物中超表达 miRNA-
resistant tagerts 与超表达 MiRNA target mimicry 所展
现的表型相似，但和超表达 miRNA/amiRNAs 与靶基
因 RNAi 展现的表型相反。例如，在拟南芥中超表
达 miR394 和其靶基因 LCR 突变体均表现出盐敏感
性和抗寒性增强，但超表达抗 miR394 作用的同义突
变靶基因 mLCR，转基因植株则表现出耐盐性增强
和抗寒性降低［68，69］。在水稻中，鲁玉柱等成功克隆
出了水稻的 OsCSD2 基因，并根据密码子的兼并性，
突变了 miR398 作用的位点，但不改变其氨基酸序
列，得到了新的抗 miR398 的 OsmCSD2，构建过表
达载体并转入水稻中。结果表明，在重金属铜胁迫下，
过表达抗 miR398 的 OsmCSD2 转基因株系表现出良
好的抗逆性，H2O2 含量显著低于野生型（图 2）
［42］。
3 基于 miRNA 的转基因技术所面临的风险
和挑战
转基因技术自诞生时起，争论就从未停息过。
基于 miRNA 原理的转基因技术是进行作物改良的
有效技术手段之一。其安全性问题同常规的转基因
技术一样是社会各界争论的焦点，至今悬而未决。
2012 年，Zhang 等［70］ 研究发现，水稻 MIR168a 基
因是中国人血清中含量较高的一种植物小 RNA，它
可以负调控人和小鼠的低密度脂蛋白受体衔接蛋白
的 mRNA，从而减缓低密度脂蛋白从血浆中的清除。
这项研究证明了外源的植物 miRNA 可以通过日常摄
取食物的方式进入动物的血液和组织器官，并且可
通过调控人体内靶基因表达的方式影响人体的生理
功能。这项研究结论引发了多方关注。一方面，如
果真的存在一种高效的小分子 RNA 进入动物体内而
实现体内基因表达沉默的方式，将对小分子 RNA 传
输的治疗手段有重要的意义 ；另一方面，又让人担
心植物 miRNA 进入人体内后是否会调控非目标基因
而对人体生理产生不良影响。
4 展望
在转基因技术的激烈争论中，美国抢占先机，
成了转基因产业的全球霸主，其他国家也一直保持
着转基因技术的快速发展态势。我国是世界第一人
口大国，解决吃饭问题始终是国家的头等大事。目
前，推进转基因技术研究与应用是确保国家粮食安
全和促进农业生产力的必然要求和重要途径，我国
也明确了“积极研究、慎重推广、自主创新”的国
家态度。
在近十几年来，miRNA 的研究越来越备受国内
外学者的关注。目前，在植物中，大量的 miRNA 已
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.412
被测序和鉴定。随着 miRNA 研究手段的不断进步，
一些 miRNA 在植物体中的生物学功能及分子作用机
制也逐渐被阐明。miRNA 具有调控植物适应各种胁
迫及生长发育的能力。miRNA 已成为分子生物学领
域的研究热点。MiRNA 及其靶基因为利用转基因技
术手段进行作物改良提供了新的丰富候选基因资源。
国内外学者都希望从中找到作物品种改良的新途径。
另外，一些人可能会担忧在转基因植物中改变
miRNAs 表达可能导致目标物种中某些基因的非目
的调控，使 miRNA 转基因作物的商业化和发展也面
临风险和挑战［71］。建议要大力加强 miRNA 介导的
基因调控机制研究，加强序列同源性检测，促进转
基因技术的正确设计，降低脱靶效应，并开发组织
特异性或诱导型表达策略，更全面的进行实验室和
田间试验。基于 miRNA 的转基因技术匹配国家风
险评估和管理办法，促进植物 MicroRNA 介导的基
因调控转基因技术在作物改良中的应用得到充分的
发展。
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（责任编辑 狄艳红）