综述：转座元件：功能层面解析及其作为作物创新驱动因子的应用

《Crop Science》：Transposable elements: Functional aspects and applications as drivers of crop innovation

　　

转座元件（Transposable elements, TEs）曾长期被视为基因组寄生序列，如今已被确认为植物基因组进化与适应性形成的重要驱动力。本综述整合了支持其双重功能的证据——既驱动遗传多样性与基因组不稳定性，又参与表型创新、胁迫耐受及作物性状调控。TEs通过插入突变、顺式调控序列供体效应及表观遗传互作，构建结构与调控层面的多样性，促进植物对环境胁迫的快速适应。组学技术的进步揭示了TE动态特征，包括其向基因区与调控区的插入偏好，以及胁迫响应激活模式。研究人员强调，TE衍生分子标记、成簇规律间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR）介导的TE调控，以及在不引发基因组不稳定性的前提下挖掘TE驱动多样性的表观基因组编辑技术，正推动作物改良进程。水稻（Oryza sativa L.）mPing元件与玉米（Zea mays L.）Hopscotch元件等案例，证实了TE在性状改良与驯化中的潜力。此外，多组学整合研究明确了TEs在胁迫响应与基因组可塑性中的作用，为精准育种提供了新的靶点。当前挑战在于建模TE行为，并在权衡其适应性潜力与有害效应方面仍需突破，这需要复杂的计算模型与合成生物学策略支撑。未来研究应优先发展融合机器学习与合成TE设计的跨学科方法，以最大化TE介导的作物抗逆性。通过整合TE生物学与前沿生物技术，科学界有望缓解气候变化引发的全球粮食安全危机。本综述将TEs重新定位为不仅是基因组的“剩余片段”，更是下一代作物改良的核心要素，主张将其战略性地纳入可持续农业创新体系。

1 引言

全球人口增长与气候变化的叠加效应，使作物改良成为保障粮食安全的核心议题。传统育种与基因组辅助工具均依赖遗传变异创制高产抗逆品种，但植物基因组中驱动快速适应与表型分化的遗传机制仍待深入解析。转座元件（TEs）曾被视为“垃圾DNA”，现已成为植物进化与适应的研究焦点。自Barbara McClintock在玉米中发现“可移动基因”以来，学界对TE的认知已从遗传 curiosity 转变为基因组创新的动力源。现有证据表明，TE活性可调控基因表达，显著影响胁迫耐受、开花时间、果实形态及抗病性等农艺性状。然而，其兼具适应性驱动与基因组不稳定来源的双重角色，延缓了在育种中的直接应用。新兴的基因组学、表观基因组学与生物信息学研究，正揭示TEs如何塑造植物功能多样性。例如，水稻群体研究显示TE激活可产生环境适应相关的新遗传变异；番茄中Sol3转座子通过向乙烯合成关键基因LE-ACS7启动子区插入调控元件，增强了乙烯生物合成途径的灵活性。这些发现推动了TE作为作物改良功能工具的转化应用。CRISPR相关技术正被探索用于调控TE活性，实现适应性位点的靶向整合。针对真核生物中大尺寸TE的递送难题，研究人员开发了基于Pong转posase蛋白与Cas9核酸酶的精简系统，证实其可携带444 bp至9 kb的载荷，尽管插入效率随载荷增大呈下降趋势。群体基因组学则助力鉴定TE产生的等位变异，为标记辅助选择提供候选靶点。本文系统综述TE的功能属性及其在作物创新中的生物技术潜力，涵盖TE作为植物遗传多样性驱动因子、插入偏好与位置效应、基因调控作用、表观遗传调控机制、多组学解析TE动态、植物可动组（mobilome）的育种意义、TE介导的基因调控、气候韧性中的新兴作用及TE技术的未来展望八大主题，旨在为植物生物学这一战略领域提供系统性前瞻视角。

2 转座元件作为遗传多样性驱动因子的简史

遗传多样性是植物适应环境变化的基础，TEs通过调控基因表达成为多样性形成的关键驱动力。Barbara McClintock提出的“可变位点”概念，奠定了TE研究的基石。随后，逆转录酶在反转录病毒中的发现、果蝇杂交不育与P元件的关联，逐步揭示了TE的转座机制。玉米Ac/Ds元件的克隆与分类，酵母Ty1元件通过RNA介导转座机制的阐明，推动了“反转录转座子”概念的提出。早期转座子标签技术成功克隆了玉米花青素合成相关a1位点、胚乳蛋白调控因子o2位点及淀粉合成相关su1位点，证实TE对农艺性状的深远影响。20世纪90年代，烟草Tnt1作为首个活性反转录转座子被分离，其长末端重复（Long Terminal Repeat, LTR）结构特征得到解析。水稻中微型反向重复转座元件（Miniature-Inverted-Repeat Transposable Element, MITE）家族的mPing元件的发现，开启了活性DNA转座子研究新篇。随着新一代测序（Next-Generation Sequencing, NGS）技术的应用，研究发现mPing插入可上调邻近基因转录，玉米tb1基因调控区的Hopscotch元件作为增强子促进了顶端优势形成，推动了玉米驯化进程。拟南芥可动组的首次解析，揭示了TE的近着丝粒插入偏好及其对邻近基因表达的调控作用。近期，泛基因组水平的TE注释显示，热带玉米基因组比温带玉米多35 Mb的TE含量，主要源于年轻LTR家族的扩增；马铃薯泛基因组分析则发现体外培养材料中存在更高的TE相关基因数量，提示TE激活可能驱动了物种在扩张过程中的基因组与分类分化。

3 TEs的动态特征及其基因组影响

TE动态是塑造基因组结构的核心力量，通过诱导突变、染色体重排及构建新型调控网络驱动遗传多样性。其插入并非完全随机：部分TE家族偏好整合于蛋白质编码基因附近或转录起始位点（Transcription Start Site, TSS），而植物LTR反转录转座子也可靶向异染色质区域。需注意，早期研究中基因区TE插入的易检测性可能导致了选择偏差。群体水平研究显示，玉米509份自交系的TE插入位点同时覆盖基因区与基因间区。TE插入偏好可分为两类策略：Type-A策略表现为TE整合与RNA聚合酶II（Polymerase II, Pol II）转录起始高度相关，富集于TSS区域；Type-B策略则更广泛，同时富集于TSS与中等表达基因的转录终止位点。这种偏好反映了TE与宿主的共适应平衡——既通过活跃转录实现自身传播，又最小化对宿主的有害效应。植物TE倾向于插入基因邻近的开放常染色质区，而古老TE则多存在于异染色质区，后者通常通过DNA甲基化等机制被沉默，同时其LTR元件（如Ty1/Gypsy与Ty3/Copia）构成了着丝粒与近着丝粒区域的结构组分。TE的插入效应因位置而异：外显子区插入可导致蛋白功能丧失或产生新剪接异构体，如玉米Ds元件插入蜡质（wx）基因外显子后可通过剪接恢复功能，而LTR反转录转座子ZmRE-1插入brachytic2基因外显子则降低了转录水平；内含子或非翻译区（Untranslated Regions, UTR）插入通常影响较小，但可改变可变剪接模式，如生菜LsGLK基因3' UTR的CACTA转座子插入导致功能性转录本减少，引发叶片叶绿素含量下降。TE还可发生“外显子化”，即位于内含子的TE被整合进编码序列，成为宿主基因的新外显子，参与长链非编码RNA（Long Non-coding RNA, lncRNA）的起源。TE的动员是一把双刃剑：其插入可破坏编码序列导致功能缺失，如豌豆皱缩种子表型源于淀粉分支酶基因的转座子插入突变；TE介导的同源重组可诱发染色体缺失、重复与倒位，如玉米Ac/fAc元件诱导的染色体重排改变了黄酮合成通路基因的表达模式。宿主通过DNA甲基化与小RNA通路等防御机制抑制TE活性，平衡其有害效应与多样性贡献。

4 TEs如何调控基因表达

TEs已从“垃圾DNA”重新定义为基因表达调控的关键介质。其作为顺式调控元件的作用尤为突出：TE自身携带多种顺式调控序列，包括启动子、剪接受体/供体位点及多聚腺苷酸化信号。比较基因组学分析显示，胁迫响应基因附近的TE常富集特定的顺式调控基序，如拟南芥热激蛋白转录因子HSFB2A结合基序、番茄光胁迫响应基因附近的MYB转录因子结合基序。不同TE超家族具有独特的结构特征：LTR反转录转座子的5' LTR包含Pol II启动子，LINE元件的5' UTR存在内部启动子，MITEs虽无需转录即可转座，但其序列中包含转录因子结合位点（Transcription Factor Binding Sites, TFBSs），如芸薹属作物中MITE扩增导致了E2F TFBSs的全基因组扩张。仅少数携带调控基序的TE能被宿主稳定保留并驯化，如Renovator反转录转座子插入激活了病原响应R基因。TE与非编码RNA（Non-coding RNAs, ncRNAs）存在复杂互作：TE可被驯化为微小RNA（MicroRNAs, miRNAs）或产生lncRNAs，发挥诱饵、海绵或支架功能；TE衍生的小干扰RNA（Small Interfering RNAs, siRNAs）通过RNA定向DNA甲基化（RNA-directed DNA methylation, RdDM）途径调控基因表达，如水稻中源自MITE的siRNA815通过RdDM抑制ST1基因，增强对白叶枯病的抗性。宿主通过表观遗传机制严密调控TE活性：DNA甲基化（CG、CHG、CHH上下文）、组蛋白修饰及RdDM途径共同构成沉默网络。TE插入常触发局部DNA甲基化，并可扩散至邻近基因，导致基因表达抑制，如油棕榈体细胞培养中LINE元件甲基化水平降低引发的“冠腐病”表型。这种表观遗传调控体现了基因组稳定性维持与TE多样性利用之间的权衡。

5 解析TE的多组学方法与进展

多组学整合是解析TE插入多态性、转录调控及其功能影响的核心手段。基因组学定位TE分布，转录组学揭示TE激活模式，表观基因组学聚焦DNA甲基化等调控机制。早期研究依赖第一代测序技术鉴定新TE家族，如百合中LINE-like元件的发现与玉米LTR反转录转座子Zeon1的克隆。拟南芥基因组测序首次实现了全基因组TE注释，显示其占基因组的10%；水稻基因组则揭示TE占比达19.9%，其中MITEs最为丰富。微阵列技术的应用推动了TE转录组研究，如发现拟南芥光敏色素A信号通路转录因子FHY3和FAR1起源于MULE家族转座酶。NGS技术的普及实现了跨物种TE比较基因组学，如辣椒驯化过程中LTR扩增导致的基因组扩张，亚麻基因组中LTR反转录转座子占总TE的69%。TE注释仍是技术难点，短读长组装易导致嵌套插入与古老元件的漏检。长读长测序（PacBio、Oxford Nanopore）与泛基因组框架的发展显著提升了注释精度，如TrEMOLO工具可利用长读长数据准确估算TE等位频率，panEDTA流程实现了群体水平的TE插入多态性解析。多组学研究已揭示TE在复杂性状中的关键作用：拟南芥热激转座子ONSEN通过插入ABA响应基因ABI4和ABI5，降低种子萌发期的ABA敏感性；覆盆子“杏色”果实表型源于CACTA转座子插入花青素合成基因Ans-1；Flaveria属植物C4光合途径的进化则得益于TE介导的PEPC1基因复制与功能分化。

6 植物可动组及其对作物育种的影响

植物可动组（mobilome）作为基因组的TE总和，虽可能引发基因组不稳定，但其创造的遗传变异与调控创新是作物改良的重要资源。TE插入可产生新等位基因与调控元件，直接影响农艺性状：甘蓝型油菜BnSHP1.A9基因启动子的Copia-like LTR插入通过超甲基化沉默基因表达，增强了抗裂荚性；玉米ZmNAC111基因启动子的MITE插入通过RdDM抑制基因表达，显著提升抗旱性；番茄PSY1基因的RIDER插入与BLI2基因的COPIA插入分别调控果实颜色与叶片形态。TE插入多态性（Transposon Insertion Polymorphisms, TIPs）作为分子标记，弥补了单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism, SNP）标记的不足，如水稻中LTR反转录转座子插入与粒宽变异的关联。基于TIPs的全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies, GWAS）可鉴定传统方法遗漏的性状关联位点。TE还可用于诱导无转基因突变，通过去甲基化剂处理、胁迫诱导或CRISPRi敲低RdDM通路基因等方式激活内源TE，规避转基因监管限制。CRISPR/Cas9系统与TE的结合进一步拓展了育种应用，如改造的PiggyBac转座子可实现无疤痕基因插入，Pong转posase与Cas9融合系统实现了阿拉伯芥中增强子元件与基因表达盒的靶向整合。

7 TEs对植物特定基因/性状的调控

TE插入可特异性调控多种农艺性状。在色素合成与次生代谢方面：血橙Ruby基因启动子的Copia-like反转录转座子插入赋予低温依赖的花青素积累；草莓FvMYB10基因的Gypsy反转录转座子插入抑制花青素合成，产生白色果实；高粱Y基因内的CACTA家族Cs1转座子控制颖壳红色色素合成，其切离可恢复红色表型；苹果MdMYB1基因附近的redTE LTR反转录转座子插入决定红色果实着色。在果实发育与形态方面：葡萄VvPI基因启动子的TE插入导致异位表达，抑制中果皮细胞分化，阻碍肉质果实形成；苹果pri-miRNA172p末端的TE插入通过调控APETALA2家族基因表达增大果实；番茄SUN基因经LTR反转录转座子Rider介导的复制易位后表达上调，产生长形果实。在胁迫适应方面：水稻磷饥饿条件下Pup1位点关联的TE激活，调控磷稳态基因表达；拟南芥FLC基因内含子的TE插入促进早花，适应短营养生长周期环境。这些案例证实TE是基因型与表型变异的关键介导者。

8 TEs可作为应对气候变化的核心因子

气候变化导致的极端温度、干旱与土壤盐渍化严重威胁粮食安全，TEs因其胁迫响应激活特性成为作物抗逆改良的潜在工具。环境胁迫可诱导TE动员，通过基因表达重塑、结构突变与新调控网络构建产生适应性变异。例如，烟草Tnt1元件在生物与非生物胁迫下激活；水稻mPing元件在冷、盐胁迫下转座，其偏好插入调控区的特性可重构转录网络；玉米中多个TE家族与热、冷、高盐胁迫响应基因表达相关，且携带DREB/CBF等胁迫响应转录因子结合基序；番茄Rider反转录转座子在干旱条件下经ABA信号通路激活，其末端区域含脱水与ABA响应顺式元件。除直接遗传效应外，TE还介导表观遗传记忆：胁迫诱导的TE甲基化变化可通过跨代表观遗传传递给后代，增强种群的持续抗逆能力。这种“隐藏”的遗传与表观遗传变异储备，为培育气候韧性作物提供了关键素材。

9 TEs在植物育种与生物技术中的潜力

TEs的应用已从基础研究延伸至育种实践。插入突变是其主要应用之一：蒺藜苜蓿Tnt1反转录转座子突变体库已用于解析共生固氮与胁迫响应基因功能；水稻Tos17反转录转座子突变体助力抗病与产量相关基因克隆。TE作为分子标记广泛应用于基因定位，如玉米Ac/Ds系统用于花青素合成与籽粒发育基因标签，大麦BARE-1反转录转座子用于胁迫响应位点作图。基因组工程领域，工程化转座子（如PiggyBac）可实现大豆、番茄的无疤痕多基因叠加，避免连锁累赘；Pong转posase与Cas9融合系统实现了阿拉伯芥及大豆的靶向基因插入。表观遗传调控方面，TE插入可通过改变邻近基因DNA甲基化模式调控表达，如水稻OsCOP1反转录转座子甲基化状态影响开花时间，为培育适应气候变化的生育期品种提供依据。TE介导的染色体重组可促进有益基因渐渗，如小麦Veju反转录转座子诱导的双链断裂增强重组，助力抗病基因导入；天然TE插入调控小麦Vrn-A1基因春化需求，水稻Sub1A基因经TE介导复制获得耐淹性，已在主栽品种中推广应用。TE衍生标记（如反转录转座子-微卫星扩增多态性）成本低、通量高，广泛用于作物遗传多样性评估与育种亲本选配。尽管存在基因组不稳定风险，但通过诱导型启动子控制TE活性、CRISPR精准编辑与RNAi沉默等策略可有效规避。未来，结合机器学习预测TE插入热点、激活野生种质休眠TE、开发合成TE系统，将进一步释放TE在抗逆、高产、优质作物创制中的潜力。

10 TE技术的未来展望

TE技术与合成生物学、表观基因组工程及人工智能（Artificial Intelligence, AI）的融合，正开启作物设计育种新篇章。合成TE的设计可实现可控基因组多样化：改造的PiggyBac转座子搭载组织特异性启动子，能在不破坏必需基因的前提下实现精准靶向；激活祖先玉米品系中的休眠TE，可模拟自然驯化过程，恢复丢失的抗逆等位基因。表观基因组编辑通过靶向TE富集区域，可诱导稳定可遗传的表观遗传变异，如利用CRISPR-dCas9融合表观遗传修饰因子，改变TE附近基因的DNA甲基化状态，激活胁迫响应通路，实现无需转基因的“表观育种”。AI与机器学习的整合将革命性提升TE应用效率：基于大规模基因组数据训练的预测模型可识别TE插入热点，优化多性状叠加策略，并预测TE突变的表型效应，如通过深度学习设计具有高迁移率与靶向特异性的合成TE。气候适应育种将优先筛选野生种质中关联耐热、耐盐的活性TE，并通过基因编辑技术导入主栽品种，如进一步优化水稻Sub1A耐淹位点，或通过TE介导的碳固定基因复制提升小麦C3光合效率。TE介导的水平基因转移亦具应用前景，合成生物学有望构建“桥梁TE”，实现豆科固氮基因向禾本科作物的转移，减少化肥依赖。针对多倍体作物的基因组不稳定风险，可在合成TE中嵌入“自杀开关”（如CRISPR靶向自我失活序列），确保生物安全性。同时，需完善监管框架以应对表观遗传修饰与水平基因转移的伦理与生态风险，加强公众沟通以消除对TE技术的误解。TE技术将在基因组学、AI与合成生物学的交叉推动下，加速培育适应气候变化的智能作物，兼顾粮食安全与生物多样性保护。

11 结论

TEs已从基因组寄生序列重新定位为植物基因组进化的核心驱动力，其通过插入突变、顺式调控序列供体效应与表观遗传重塑，驱动遗传多样性与表型可塑性，支撑植物对新环境的适应。本综述系统阐释了TE在表型创新、胁迫耐受及农艺性状调控中的多重机制，并以水稻mPing、玉米Hopscotch等典型案例证实了其育种价值。多组学技术的整合解析了TE的插入偏好、表观遗传调控网络及胁迫响应激活模式，为精准利用TE多样性奠定了基础。尽管TE的基因组不稳定风险仍需警惕，但CRISPR调控、表观基因组编辑与TE衍生标记等技术的结合，已提供了低风险利用路径。未来，通过合成生物学设计可控TE、机器学习预测插入效应、多组学平台整合解析TE-微生物互作，将全面释放TE在气候韧性作物创制中的潜力。曾被视为“基因组垃圾”的TEs，正成为可持续农业创新的核心伙伴，为保障全球粮食安全提供新的战略支点。