综述：农业中的RNA干扰技术：推动作物改良与可持续作物保护的发展

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：RNA Interference (RNAi) in Agriculture: Revolutionizing Crop Improvement and Sustainable Crop Protection

　　摘要
RNA干扰技术是一种具有序列特异性的基因沉默技术，已成为推动作物可持续改良和保护的强大工具。该技术通过靶向降解信使RNA，抑制植物内源基因或害虫、病原体及杂草相关基因的表达。本文全面概述了RNA干扰的机制，包括Dicer样酶、Argonaute蛋白以及RNA诱导的沉默复合物在介导microRNA和small interfering RNA引导的基因调控中的作用。同时，文章对RNA干扰在农业领域的多种应用进行了深入评估，涵盖提升营养价值、改变植物结构、增强次生代谢产物生成、减少过敏原和有毒物质含量，以及提高作物对干旱、盐碱、高温、低温和紫外线等非生物胁迫的耐受性。此外，文章还探讨了利用宿主诱导的基因沉默和喷雾诱导的基因沉默技术来应对生物胁迫的方法。最后，本文对这两种技术进行了系统比较，介绍了纳米材料辅助的双链RNA递送系统的最新进展，并对比了不同农业区域针对RNA干扰技术的监管框架。文中还分析了当前存在的局限性，如双链RNA的不稳定性、递送效率、脱靶效应、生产成本以及监管难题，同时提出了基于纳米技术、人工智能辅助的目标设计以及大规模双链RNA生产等解决方案。总体而言，RNA干扰技术是一种具有巨大潜力且环境友好的技术，有望为构建气候适应型农业、实施综合害虫管理以及实现全球可持续粮食生产提供重要支持。

引言
RNA干扰技术日益被视为保障全球粮食安全、推动农业向更可持续模式转型的重要工具[1]。作为一种用于序列特异性基因沉默的反向遗传学工具，RNA干扰已成为功能基因组学领域的重要研究手段。它使得功能缺失研究及全基因组分析成为可能，从而加深了对包括植物在内的各种真核生物基因功能的理解，为作物改良和植物保护提供了宝贵机遇[2,3]。RNA干扰是一种由双链RNA介导的转录后基因沉默的保守生物学机制[4,5]。2002年，RNA干扰被《科学》杂志评为“年度突破”，2003年又被《财富》杂志称为“价值十亿美元的突破”，其通过降解特定的信使RNA来抑制基因表达[6,7,8]。此外，由于其在实现可持续且精准的害虫控制方面的潜力，RNA干扰技术堪称农药研发领域的“第三次革命”[9]。本文重点介绍了RNA干扰在农业中的多种应用，包括提升营养价值、改变植物结构、增强次生代谢产物生成，以及去除粮食作物中的不良性状。此外，RNA干扰在应对非生物胁迫方面也发挥着重要作用。尤其是宿主诱导的基因沉默和喷雾诱导的基因沉默技术，在控制杂草、害虫以及病毒、细菌和真菌等植物病原体方面展现出巨大潜力。不过，双链RNA稳定性、脱靶效应、高效递送及商业化等方面的挑战仍限制着其更广泛的应用。尽管如此，分子生物学和纳米技术的进步有望进一步提升RNA干扰技术在可持续农业和气候适应型农业中的应用效果。图1展示了RNA干扰在农业中的应用概况。

历史发展
在RNA干扰被发现之前，人们主要通过反义RNA抑制、突变、T-DNA插入和转座子插入等方法研究基因功能，但这些方法往往耗时费力且效率较低[7]。RNA干扰最初是在矮牵牛中通过共沉默现象被发现的——引入额外的基因拷贝后，原本的内源基因和转基因基因都会被意外地沉默[11]。随后的一项重大突破是……

RNA干扰的组成成分
RNA干扰机制的核心组成部分包括：能够将RNA前体加工成小型调控RNA的Dicer样酶；负责识别靶标并实现基因沉默的Argonaute蛋白；以及参与双链RNA合成和沉默放大过程的RNA依赖性RNA聚合酶。这些组分共同通过转录后基因沉默和转录基因沉默机制来实现基因沉默[8,22,23,24,25,26]。

RNA干扰在农学中的应用
RNA干扰技术作为一种多功能的基因沉默工具，已被广泛应用于作物改良和病虫害防治。它可用于提升作物的营养价值、调节次生代谢产物的生成、减少有害物质和过敏原含量、改变植物结构，以及提高作物对干旱、盐碱、高温、低温和紫外线等非生物胁迫的耐受性。此外，基于RNA干扰的宿主诱导基因沉默和喷雾诱导基因沉默技术也被用于控制杂草、害虫及植物病原体。

非生物胁迫管理
干旱、盐碱、温度和紫外线等非生物因素是导致主要农作物产量下降的主要原因[58]。多项研究表明，多种作物在面对非生物胁迫时可通过RNA干扰机制作出响应（见图2）。由于其具有高度的特异性和基于序列的基因沉默能力，RNA干扰技术有望取代一些复杂的分子生物学方法。目前，RNA干扰技术已成功用于帮助作物获得抵御非生物胁迫的能力。

生物胁迫管理
生物胁迫对全球农作物生产造成了严重负面影响，同时也威胁着许多国家的粮食安全。这类胁迫包括杂草、害虫、细菌、真菌以及引发植物病害的病毒。据估计，每年因生物胁迫造成的损失高达750亿美元，约有三分之一的田间粮食作物因此而死亡[99,100]。相比新兴的基因组编辑技术，RNA干扰技术更具优势。

用于RNA干扰作物保护的现代农业纳米材料
RNA干扰技术在作物保护领域的应用进展与纳米材料递送系统的发展密切相关，这类系统能够克服裸露双链RNA的诸多局限。近年来，纳米载体的范围已经从传统的聚合物体系扩展到天然材料、脂质材料、无机材料、合成聚合物以及肽基材料，每种材料都具有不同的优势，有助于提升RNA干扰在农业应用中的效果。

RNA干扰技术的局限性
尽管RNA干扰技术是实现可持续作物保护的革命性工具，但其从实验室走向实际应用的过程仍面临着生物学、技术、经济和监管等多方面的障碍。要实现RNA干扰基生物农药和作物改良策略的广泛应用，就必须解决这些挑战[8,170,171,172]。
- 生物学与技术挑战、稳定性与递送问题：对于非转化型RNA干扰技术，尤其是喷雾诱导基因沉默技术而言，最主要的 technical瓶颈在于……

含有双链RNA的植物的监管现状
农业领域中RNA干扰技术的监管方式主要依据其应用形式来划分，即表达双链RNA的转基因作物，以及可外喷施的双链RNA产品。转基因RNA干扰作物需遵循现有的转基因生物生物安全监管框架，而喷雾诱导基因沉默产品则逐渐被视为一类新的生化农药而受到重视。

公众接受度
喷雾诱导基因沉默技术能否从实验室研究顺利走向大规模农业应用，不仅取决于技术上的进步，还取决于公众对其生物安全性的认可程度。尽管这是一种不涉及将外源DNA整合到植物基因组中的非转化型技术，但消费者往往仍将其视为与转基因技术类似。此外，人们对此类技术还存在诸多担忧……

未来前景
鉴于其序列特异性、环境友好性以及在作物保护与改良方面的广泛应用潜力，RNA干扰技术将在可持续农业中发挥越来越重要的作用。未来，生物信息学、人工智能和比较基因组学的进步有望极大提升RNA干扰目标基因的识别效率，既能快速找到高度保守的物种特异性基因，又能最大限度地减少脱靶效应。

结论
RNA干扰技术为作物培育和长期植物保护带来了巨大希望，已成为当代农业领域的一项突破性技术。它能够通过选择性沉默目标基因，提升作物的营养价值、改变植物结构、增强次生代谢产物生成，以及提高作物对干旱、盐碱、极端温度和紫外线等非生物胁迫的耐受性。与传统技术相比，RNA干扰技术具有明显优势……

作者贡献声明
A. Thanvarshni：论文撰写——综述与编辑、初稿撰写。
R. Sathya Priya：论文撰写——综述与编辑。
G. Senthil kumar：论文撰写——综述与编辑。
D. Muthumanickam：论文撰写——综述与编辑。
R. Sivakumar：论文撰写——综述与编辑。
R. Krishnan：论文撰写——综述与编辑。
S. Pazhanivelan：论文撰写——综述与编辑。

未引用参考文献
10.; 34.; 96.; 174.

参与者同意声明
所有参与本综述论文的研究人员均已签署同意书。

伦理审批情况
无需伦理审批。

发表许可声明
作者已同意将本综述论文发表在相应期刊上。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性声明
本文所述研究未使用任何数据。

资金支持情况
本综述论文未获得任何资金支持。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢泰米尔纳德邦农业大学对本综述文章撰写的支持。

A. Thanvarshni | G. Senthil kumar | R. Sathya Priya | R. Sivakumar | D. Muthumanickam | S. Pazhanivelan | R. Krishnan
印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市，泰米尔纳德邦农业大学农学系