Trends Plant Sci | 我室胥国勇课题组综述利用uORF改良作物农艺性状的理论基础和应用前景

现代农业面临多重挑战，包括全球人口增长、可耕地减少、极端气候频发、病虫害严重、环境污染加剧等。人类食物、动物饲料和工业应用需求的增加要求提高作物产量；消费者对农产品营养健康等个性化需求增加要求提高作物品质；农业劳动力短缺要求品种易于机械化种植——这些挑战推动着农业育种方式的快速转变。与传统育种策略相比，基因工程育种策略主要利用转基因和基因编辑技术实现作物的遗传改良，为应对现代农业挑战提供了有效和快速的解决方案。转基因和基因编辑技术要求精准地控制基因的时空表达以及表达水平，以获得理想的农艺性状。上游开放阅读框（uORF）是一种广泛存在的RNA调控元件（RRE），能够在翻译水平上精准调控基因的表达水平，具有重要的育种应用价值。

近日，武汉大学高等研究院、杂交水稻全国重点实验室和湖北省洪山实验室胥国勇教授课题组在Trends in Plant Science期刊上在线发表了题为Engineering crop performance with upstream open reading frames的综述论文，讨论了uORF在优化作物农艺性状中的理论基础和应用前景。

uORF是一种广泛存在且严格控制基因表达的RNA调控元件。目前的研究表明其有三个主要的调控特点。（1）Suppressive uORFs：绝大多数uORFs通过抑制核糖体到达下游主要开放阅读框（mORF）来限制mORF编码的蛋白质产量，这种抑制作用的强弱与uORF类型等属性（uORF attributes）密切相关。（2）Translatable uORFs：一些uORFs可以编码功能性小肽，这些小肽在翻译过程中可通过顺式调控的方式引起核糖体停滞，从而限制mORF的翻译效率；uORF小肽也可能发挥反式调控的作用。（3）Responsive uORFs：已有证据显示某些uORFs能够通过uORF peptide-dependent的方式来特异性响应生长、发育和胁迫等信号，特别是响应这些过程产生的代谢物水平；而uORF peptide-independent的方式则可依赖RNA modifications、RNA structures和linear motifs与反式作用因子的特异性互作来实现特异性响应。

文章进一步举例说明了利用uORF进行基因工程改良作物性状的方法，主要包括针对外源基因的转基因技术和针对内源基因的基因编辑技术。单个基因可以影响多个表型，一方面带来有益的农艺性状，另一方面也可能会损害作物的其他必要性状。这种拮抗的多效性现象（antagonistic pleiotropy）在抗逆基因的育种应用中十分常见。在转基因育种中，需要严格限制这些基因的本底表达，并在需要的时候有效上调其表达，即C+育种策略（conditional upregulation）。在抗病育种实践中，结合uORF介导的翻译调控和时空特异性启动子介导的转录调控的C+策略，能够更精准地控制抗病基因表达，从而更高效地获得不影响生长且能够提高抗病害能力的转基因作物。在基因编辑育种中，通过产生新的suppressive uORF可以下调mORF的翻译；通过删除或削弱suppressive uORF功能可以上调mORF的翻译；该技术已在多个作物中得到了很好的应用，包括提高生菜和番茄vitamin C含量，提高番茄抗盐胁迫能力，改良草莓甜度，控制水稻开花、抗病、分蘖、株高和amylose含量等。此外，全基因组基因编辑产生不同uORF变异类型的群体还能够用以遗传筛选具有优异农艺性状的基因，并在水稻病害防御育种中得到了实践。最后，该综述展望了利用uORF改良农作物性状的前景，提出了未来需要解决的关键理论和应用问题。

武汉大学高等研究院牟锐博士、牛瑞霞博士为该综述第一作者，胥国勇教授为通讯作者。武汉大学博士生杨若颖参与了该项工作。相关工作得到了国家自然科学基金委、农业生物育种重大项目、湖北洪山实验室重大项目、湖北省重点研发项目和中央高校基本科研业务费的资助。