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STTM技术：解锁水稻miRNA功能的新钥匙

一、引言

1.1研究背景与意义

水稻作为全球最重要的粮食作物之一，为超过半数的世界人口提供主食，在保障全球粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。据统计，全球约有35亿人口以大米为主食，其种植范围广泛，从热带到温带地区均有分布。中国作为水稻种植和消费大国，2023年水稻产量达到2.1亿吨左右，占世界水稻总产量的近1/3。水稻不仅是重要的食物来源，还在农业经济、生态保护等方面具有重要价值，其种植和生产对于稳定社会经济、维护生态平衡意义重大。

微小RNA（miRNA）是一类长度约为20-24个核苷酸的非编码小分子RNA，通过与靶mRNA的互补配对，在转录后水平对基因表达进行负调控。在植物中，miRNA参与了生长发育的各个阶段，如种子萌发、根的生长、叶片发育、开花结果等。在水稻中，已有研究表明，miR156通过靶向SPL基因家族，调控水稻的分蘖和穗发育；miR164通过调控NAC1基因，影响水稻的根和侧根的生长。同时，miRNA在水稻应对生物和非生物胁迫中也发挥着关键作用。面对水稻草矮病毒（RGSV）和水稻锯齿叶矮缩病毒（RRSV）等病毒的侵染，miR168、miR528等小分子RNA在水稻防御病毒入侵过程中起到核心作用；在干旱、盐碱、高温等非生物胁迫下，水稻体内的miRNA表达谱会发生显著变化，如miR169在干旱胁迫下表达上调，通过调控NF-YA基因家族，增强水稻的耐旱性。

然而，尽管目前对部分水稻miRNA的功能有了一定了解，但仍有大量miRNA的功能尚未明确。传统的miRNA功能研究方法存在诸多局限性，如RNA干扰（RNAi）技术在植物中的干扰效率不稳定，且可能引发非特异性效应；基因敲除技术对于一些功能冗余的miRNA效果不佳。短串联靶点模拟（STTM）技术的出现，为miRNA功能研究提供了新的有力工具。STTM技术通过构建含有串联重复的miRNA结合位点的表达载体，转入植物细胞后，能够特异性地吸附和抑制内源miRNA的活性，从而实现对miRNA功能的有效抑制。该技术具有高效、特异、稳定等优点，能够克服传统方法的不足，为大规模研究水稻miRNA的功能提供了可能。

利用STTM技术大规模研究水稻miRNA的功能具有重要的理论和实践意义。从理论层面来看，这有助于深入揭示miRNA介导的水稻生长发育调控网络以及应对生物和非生物胁迫的分子机制，填补该领域在基础理论研究方面的空白，进一步丰富和完善植物分子生物学理论体系。在实践应用方面，明确水稻miRNA的功能后，能够为水稻遗传改良提供关键靶点，通过分子育种技术培育出具有高产、优质、抗逆等优良性状的水稻新品种，对于提高水稻产量和品质、保障全球粮食安全具有重要意义，有望为解决日益增长的全球人口对粮食的需求问题提供有效的技术支撑和解决方案。

1.2miRNA与水稻生长发育及胁迫响应

微小RNA（miRNA）是一类长度约为20-24个核苷酸的内源性非编码小分子RNA，广泛存在于真核生物中。自1993年在线虫中首次发现lin-4miRNA以来，miRNA的研究迅速发展，成为生命科学领域的研究热点之一。miRNA具有高度的保守性、组织特异性和发育阶段特异性等特征。在不同物种间，许多miRNA的序列和功能具有保守性，如miR164在植物中广泛存在，且都参与了植物器官发育的调控。同时，miRNA在不同组织和发育阶段的表达水平差异显著，这使得它们能够精准地调控植物的生长发育进程。

miRNA主要通过与靶mRNA的互补配对，在转录后水平对基因表达进行负调控。其作用机制主要包括两种：一是当miRNA与靶mRNA完全或近乎完全互补配对时，miRNA-AGO复合体中的AGO蛋白会切割靶mRNA，导致其降解，从而阻断基因表达；二是当miRNA与靶mRNA不完全互补配对时，主要抑制靶mRNA的翻译过程，使mRNA无法正常翻译成蛋白质。在植物中，大多数miRNA通过切割靶mRNA来调控基因表达，这与动物中miRNA主要抑制翻译的方式有所不同。

在水稻生长发育过程中，miRNA发挥着不可或缺的调控作用。在水稻种子萌发阶段，miR156、miR167等参与了种子休眠与萌发的调控。miR156通过靶向SPL基因家族，影响种子的休眠和萌发，在种子休眠期，miR156表达量较高，抑制SPL基因的表达，维持种子的休眠状态；随着种子萌发，miR156表达量下降，SPL基因表达上调，促进种子萌发。在营养生长阶段，miRNA对