甘蔗shy-miR164通过靶向剪切ScNAC转录因子调控糖代谢的分子机制

本研究揭示了甘蔗中shy-miR164通过直接剪切NAC转录因子ScNAC mRNA来调控糖代谢的新机制。研究人员通过多组学分析发现shy-miR164与ScNAC在甘蔗糖积累过程中呈现负调控关系，利用RLM-RACE和双荧光素酶实验证实了靶向剪切作用，并通过番茄异源表达系统证明该模块可显著影响果实糖含量。该研究为甘蔗分子育种提供了重要靶点，对理解植物糖代谢调控网络具有重要理论意义。

　　

在当今全球糖业和生物能源产业中，甘蔗作为贡献80%全球蔗糖产量和40%生物乙醇的核心作物，其含糖量提升始终是育种的首要目标。然而，甘蔗复杂的异源多倍体基因组和严重的性状分离现象，使得传统育种进展缓慢。更令人困扰的是，虽然已知microRNA（miRNA）在植物生长发育中发挥关键作用，但关于miR164家族成员如何调控甘蔗糖代谢的机制仍是未解之谜。这一科学盲区严重制约了通过分子育种手段改良甘蔗品质的进程。

针对这一关键问题，广西农业科学院甘蔗研究所的研究团队在《Plant Physiology》发表了突破性研究成果。他们从前期多组学数据入手，锁定了一个在高低糖基因型间差异表达的shy-miR164及其预测靶基因ScNAC。通过系统研究，首次揭示了shy-miR164-ScNAC模块通过精确的转录后调控网络影响甘蔗糖代谢的分子机制，为甘蔗分子设计育种提供了全新策略。

研究主要采用了四项关键技术：1）基于茎环RT-qPCR（逆转录定量PCR）的时空表达谱分析；2）改进型RLM-5'RACE（RNA连接酶介导的cDNA末端快速扩增）技术验证miRNA剪切位点；3）双荧光素酶报告系统进行体内调控验证；4）利用番茄异源表达系统（包括miR164过表达株、STTM沉默株和ScNAC突变体过表达株）进行功能研究。

shy-miR164和ScNAC在甘蔗中呈现互逆调控关系

研究人员发现shy-miR164在未成熟组织中表达量更高，且在高糖基因型不同发育阶段与ScNAC呈现显著负相关。这种表达模式与甘蔗糖积累过程高度吻合，暗示二者可能形成调控模块参与糖代谢调控。

shy-miR164直接靶向剪切ScNAC mRNA

通过高精度RLM-RACE技术，团队在ScNAC mRNA第10-11位核苷酸间定位到精确剪切位点

。双荧光素酶实验进一步证实，共表达shy-miR164可使含ScNAC靶位点的报告基因活性降低60%，从分子水平验证了这种调控关系的特异性。

高度保守的shy-miR164成熟序列

进化分析显示，虽然甘蔗miR164前体序列与玉米zma-MIR164h相似度达83.25%，但其21nt成熟序列在单子叶和双子叶植物中高度保守

。这种跨物种保守性暗示miR164可能通过相似机制调控不同作物的糖代谢。

miR164调控生长发育与糖代谢

在番茄模型中，miR164过表达导致叶片缩小、锯齿减少和果实心室数减少等发育异常，而STTM沉默株则出现更深锯齿。更重要的是，沉默miR164使果实葡萄糖和果糖含量分别提升61.17%和74.78%，而过表达则降低23.58%和12.03%

。这些表型差异首次将miR164与糖代谢直接关联。

ScNAC作为核定位的NAC21/22亚族成员

ScNAC蛋白含有典型的NAM结构域，系统发育分析显示其与高粱SbNAC21/22聚为一类

。亚细胞定位证实其定位于细胞核，符合转录因子的特征。

ScNAC参与糖代谢调控

在番茄中过表达miR164抗性突变的mScNAC（保持氨基酸不变）可重现miR164沉默株的高糖表型

，确证ScNAC是miR164调控糖代谢的关键效应因子。

这项研究构建了完整的调控通路模型

：shy-miR164通过AGO1（Argonaute1）蛋白形成miRISC复合体剪切ScNAC mRNA，而ScNAC可能通过两种途径影响糖代谢——既可能通过激活ACS（ACC合成酶）和ACO（ACC氧化酶）基因促进乙烯合成（已知乙烯能促进甘蔗成熟和糖积累），也可能直接调控TPP1（海藻糖-6-磷酸磷酸酶）、SWEET4（糖转运蛋白）等糖代谢相关基因的表达。

该研究的突破性意义在于：首次在甘蔗中发现并验证了miR164-NAC调控模块，拓展了对植物糖代谢调控网络的认知；建立的"miRNA沉默-NAC过表达"双轨策略为甘蔗分子育种提供了可操作性方案；发现的跨物种保守机制为其他作物品质改良提供了借鉴。未来研究可进一步解析ScNAC下游靶基因网络，并探索通过基因编辑精准调控该通路的方法，这将为甘蔗产业带来革命性突破。