综述：编辑信息：3′UTR 顺式调控元件在转录后调控与作物改良中的核心地位

《Horticulture Advances》：Editing the message: 3′UTR cis-regulatory elements at the nexus of post-transcriptional regulation and crop improvement

　　

气候变化和土壤退化对全球粮食安全构成日益严重的威胁，凸显了植物育种策略持续创新和多样化的必要性。植物生长和发育依赖于精确且动态的基因表达调控，从而能够快速响应环境信号。越来越多的证据强调了顺式调控元件（CREs），包括RNA序列基序、RNA修饰以及二级或三级RNA结构，在转录后控制中的核心作用。这些CREs富集于植物mRNA的未翻译区（UTRs）中。在这篇综述中，研究人员总结了迄今为止已鉴定的多种CREs，特别是那些位于3^′UTR中的CREs，并描述了它们如何与反式作用因子（如RNA结合蛋白（RBPs））共同作用，调控mRNA稳定性、翻译效率、亚细胞定位和非细胞自主移动性。这些过程构成了植物环境响应和适应性的基因表达时空调控的关键机制。研究人员进一步讨论了利用3^′UTR CREs作为下一代作物改良靶点和工具的新兴机遇与挑战。通过整合转录后生物学的最新进展与分子育种框架，3^′UTR CREs为实现农艺重要性状的精确、可调且稳健的调控提供了有前景的框架。

**Post-transcriptional regulation of mRNA stability and translation by 3′UTR CREs**

**RNA sequence motifs as determinants of mRNA fate**
3^′UTR中的RNA序列基序通过与RNA结合蛋白（RBPs）相互作用，调控mRNA稳定性和翻译效率。例如，GLYCINE-RICH RNA-BINDING PROTEIN 7（GRP7）和GRP8通过个体核苷酸分辨率紫外交联免疫沉淀测序（iCLIP-seq）鉴定，结合U-rich基序，调控昼夜节律相关mRNA的稳定性。GRP7和GRP8还关联核糖体，参与翻译调控。POLYPYRIMIDINE TRACT-BINDING PROTEINS（PTBs）识别CU-rich基序，在植物中控制mRNA稳定性、翻译效率和非细胞自主移动。水稻中，OsPTB1和OsPTB2结合OsFZP mRNA的3^′UTR中的CU-rich基序，抑制翻译，影响穗分枝和籽粒数。

**m6A modification and its readers in 3′UTR-mediated regulation**
N6-甲基腺苷（m⁶A）修饰是调控mRNA稳定性和翻译的重要机制。m⁶A由甲基转移酶复合体（writers）安装，主要位于RRACH基序（R=A/G，H=A/C/U），富集于3^′UTR。去甲基化酶（erasers）如ALPHAKETOGLUTARATE-DEPENDENT DIOXYGENASE B HOMOLOG（ALKBH）家族移除修饰。m⁶A阅读器（readers）包括YTH结构域蛋白，如EVOLUTIONARILY CONSERVED C-TERMINAL REGION（ECT）1/2/3/4/8，以及CLEAVAGE AND POLYADENYLATION SPECIFICITY FACTOR 30-L（CPSF30-L）。ECT2结合m⁶A位点，招募ACETYLATION LOWERS BINDING AFFINITY（ALBA）蛋白增强识别，并形成液-液相分离凝聚体，调控mRNA稳定性。ECT1在免疫反应中与ECT2/3/4功能分化，分别促进mRNA降解或翻译，平衡防御与生长。ECT8在脱落酸（ABA）信号中通过凝聚体隔离m⁶A修饰的PYL7 mRNA，抑制翻译。FLOWERING LOCUS K（FLK）作为非YTH结构域的m⁶A阅读器，结合FLC mRNA的3^′UTR，调控开花时间。

**RNA structural elements shape stability and translation**
RNA结构元件如茎环和RNA G-四链体（RG4s）影响mRNA命运。水稻中，DOUBLE-STRANDED RNA BINDING PROTEIN 1.4（OsDRB1.4）以磷酸化依赖方式识别3^′UTR中的茎环结构，抑制翻译。热胁迫下，AU-rich 3^′UTR解链导致mRNA降解。冷胁迫下，G-rich序列形成RG4s稳定转录本，如拟南芥CORG1。RG4也直接抑制翻译，如HIRD11 mRNA。RNA结构稳定性与mRNA丰度正相关，但不同方法可能得出相反结论，需注意评估方法差异。

**Prospects and challenges in dissecting and engineering 3′UTR CREs**
3^′UTR CREs在环境响应中发挥动态调控作用，但存在组合性和上下文依赖性的挑战。例如，m⁶A与邻近序列或结构元件相互作用，如ALBA蛋白促进ECT2识别m⁶A，以及自然反义转录本as-NIA1中CU-rich基序与m⁶A的协同调控。未来编辑策略需考虑CREs的组合逻辑和相互作用网络。

**Spatial post-transcriptional regulation: local translation and mRNA mobility**

**Subcellular localization of mRNA**
3^′UTR CREs指导mRNA亚细胞定位。拟南芥中，ROP2 mRNA的3^′UTR独立介导其向根毛尖端的定位和局部翻译，调控细胞极性和根毛伸长。蓝细菌中，Rbp3蛋白结合光合相关mRNA的3^′端结构，促进其向类囊体膜定位进行共翻译插入。

**mRNA transport**
mRNA通过胞间连丝（PDs）和韧皮部进行细胞间和长距离运输。3^′UTR中的tRNA样结构（TLS）和CU-rich基序是关键的移动性CREs。TLS融合的Cas9/sgRNA可跨嫁接点移动并诱导基因组编辑。CU-rich基序招募PTBs形成核糖核蛋白（RNP）复合物，稳定mRNA并抑制翻译，促进系统性运输。例如，马铃薯StBEL5 mRNA通过CU-rich/PTB模块促进块茎形成。苹果MdACO3 mRNA从种子运输到果肉促进成熟。南瓜CmoKARI1 mRNA从砧木运输到接穗增强耐冷性。

**3′-end CREs in polyadenylation**
3′末端加工涉及切割和多聚腺苷酸化，由远上游元件（FUE）、近上游元件（NUE）和切割元件调控。强终止子包含UGUA、AAUAAA和U/G-rich基序，其组合增强切割效率。替代多聚腺苷酸化（APA）产生不同长度的3^′UTR异构体，改变CRE组合，影响mRNA稳定性和翻译。CPSF30-L作为m⁶A阅读器，在细胞核中通过识别m⁶A调控APA，与细胞质中ECT2/3/4协同调控mRNA命运。

**3′UTR editing for crop improvement**

**Sequence-based editing of the 3′UTR**
通过CRISPR/Cas系统删除抑制性CREs可产生“knock-up”表型，如水稻OsLTT7和OsSBI的3^′UTR编辑增强耐冷性和矮化。自然变异如玉米ZMET2的3^′UTR插入/缺失多态性影响苞叶层数。番茄SlANT的3^′UTR多态性与高温诱导单性结实相关。通过tiled sgRNA筛选3^′UTR突变库，可鉴定有利性状，如水稻OsHPPD的3^′UTR编辑赋予除草剂抗性。插入人工设计的CREs，如miRNA靶序列，可实现miRNA依赖的基因调控。

**m6A pathways as breeding targets**
m⁶A通路成分直接影响农艺性状。苹果MdVIR1/2介导m⁶A沉积增强抗病性。大豆GmMTAa/b调控遮荫回避反应。棉花GhALKBH5去甲基化促进光周期开花。番茄SlALKBH9B调控干旱诱导的花脱落，SlALKBH2调控果实成熟。猕猴桃AcALKBH10促进成熟并改善品质。花生AhALKBH15增强抗病性。阅读器SlYTH2和SlYTH1分别调控果实香气。苹果MhYTP2增强耐缺氧性。未来需开发单核苷酸分辨率的m⁶A甲基化组数据库和位点特异性编辑技术。

**Non-cell-autonomous mRNAs as tools for crop trait engineering**
利用非细胞自主移动性CREs构建RNA递送系统。TLS融合Cas9/sgRNA通过病毒递送在小麦中实现高效可遗传编辑。马铃薯StBEL5 mRNA的移动促进块茎形成。番茄SlACO3 mRNA的移动加速果实成熟。南瓜CmoKARI1 mRNA的移动增强砧木耐冷性。这些方法为无转基因作物改良提供新策略。

**Conclusion and future perspectives**
3^′UTR CREs在转录后调控中发挥核心作用，是作物改良的重要靶点。未来需鉴定未知CREs，解析其相互作用，并开发预测工具优化终止子强度、多聚腺苷酸化位点选择和RNA结构完整性，以实现精准编辑。