環(huán)狀RNA及其在植物中的功能研究進展

中圖分類號：S188 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）12-0026-07

CircularRNA（circRNA）是一類特殊的非編碼RNA（non-codingRNA，ncRNA），與線性RNA（linearRNA，含 5^′ 和 3^′ 末端）不同，circRNA通常是由一個前體信使RNA（pre-mRNA）通過反向剪接（back-splicing）形成的，在反向剪接過程中，RNA鏈的 3^′ 端與 5^′ 端相連，形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。其中，pre-mRNA所在的基因稱為circRNA的親本基因（parental gene）[1]。雖然circRNA在動植物中都有發(fā)現(xiàn)，但是與動物相比，植物circRNA功能研究相對匱乏，大多數(shù)研究的開展主要參考動物circRNA，且大多關(guān)注動植物共有的miRNA海綿、親本基因調(diào)控、潛在翻譯等生物學(xué)功能[2]，而植物生長發(fā)育中特有的circRNA功能研究進展則十分緩慢。這可能是因為植物基因組比較龐大，重復(fù)序列、冗余序列眾多，為circRNA的精準(zhǔn)鑒定帶來很大困難。但近年來，高通量測序新技術(shù)的蓬勃發(fā)展和應(yīng)用，為植物circRNA功能研究提供了新的契機，植物circRNA功能研究不只局限于擬南芥[3-4]和水稻[4-5]等模式植物，已經(jīng)擴展到玉米[6-7]、大豆[8-9]、棉花[10]、蘿卜[11]、番茄[12]、白菜[13]、葡萄[14]、白茶[15]和丹參[16]等作物及蔬菜、水果和中藥材中，極大拓展了人們對植物circRNA功能的新認(rèn)知。因此，本綜述簡要介紹circRNA的發(fā)現(xiàn)、分類以及特征，著重探討circRNA參與植物營養(yǎng)生長、生殖發(fā)育以及積極響應(yīng)各種生物和非生物逆境脅迫等特有的生物學(xué)功能，并展望植物circRNA未來發(fā)展方向，以期為后續(xù)植物circRNA功能的深入研究提供理論依據(jù)。

1 circRNA的發(fā)現(xiàn)

1976年，Sanger團隊在研究植物類病毒時首次發(fā)現(xiàn)了單鏈閉合RNA分子[17]，隨后1979年Hsu和Coca-Prados借助電子顯微鏡觀察到真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中也存在類似的環(huán)狀轉(zhuǎn)錄本，進一步證明了環(huán)狀RNA 可能普遍存在于真核生物和病毒中[18]。1991年，Nigro等偶然發(fā)現(xiàn)了一種異常的新型RNA產(chǎn)物，首次提出circRNA來源于內(nèi)源RNA[19]。1993年Cocquerelle等在人體細(xì)胞原癌基因ets-1轉(zhuǎn)錄本中發(fā)現(xiàn)了circRNA[20]。然而由于circRNA數(shù)目較少，表達(dá)量低以及當(dāng)時分子檢測手段的局限性，circRNA最初被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄異常產(chǎn)物而被忽視

直到2012年（圖1），Salzman等通過RNA-Seq方法首次在人體內(nèi)鑒定出約80個circRNA[21]，從而確定形成circRNA的特殊剪接方式——反向剪接，這種剪接模式普遍存在于細(xì)胞基因表達(dá)程序中。至此，借助于轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的大量應(yīng)用，circRNA正式躋身于科學(xué)界研究中。隨著高通量測序技術(shù)的日益成熟與生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，研究者們相繼發(fā)現(xiàn)大量不同種類的circRNA分子。例如，Jeck等在人類成纖維細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)高達(dá)25000個circRNA[22];Memczak 等通過 RNA-Seq 對人類、小鼠、線蟲進行測序和分析，發(fā)現(xiàn)表達(dá)良好且穩(wěn)定的circRNA分別為 1950，1903，724 個[23]；Wang等第1次從擬南芥根部鑒定出circRNA[24]；Ye等在水稻和擬南芥中分別鑒定出12037、6012個circRNA[4]，Zuo 等在番茄中鑒定出854個circRNA[25]，自此circRNA逐漸成為非編碼RNA領(lǐng)域的研究熱點。

2 circRNA的分類

目前關(guān)于circRNA的分類方式多種多樣，最為常見的是根據(jù)circRNA的形成機制，將其分為4類（圖2）：第1類為外顯子circRNA（exoniccircRNA，EcircRNA）。EcircRNA由單個或多個外顯子成環(huán)，來源于蛋白編碼基因的外顯子，主要分布在細(xì)胞質(zhì)中。第2類為內(nèi)含子circRNA（circularintronicRNA，CiRNA）。CiRNA來源于內(nèi)含子的套索型circRNA，主要分布在細(xì)胞核中，miRNA靶點較少，具有調(diào)控親本基因表達(dá)水平的能力。第3類為外顯子-內(nèi)含子circRNA（exon- intron circRNA，EIciRNA），EIciRNA是來源于外顯子和內(nèi)含子的circRNA，主要存在于細(xì)胞核中。第4類為基因間circRNA（intergenic circularRNA，IgcircRNA），IgcircRNA是來源于基因間隔區(qū)或其他未知基因組序列的circRNA，其包括antisense和senseoverlapping2種類型：antisensecircularRNA是來源于反義鏈轉(zhuǎn)錄本的circRNA，基因位點與線性RNA重疊；senseoverlapping是circRNA與線性RNA轉(zhuǎn)錄自相同基因位點，但是不屬于ecircRNA或ciRNA[26-27]。絕大多數(shù)的circRNA 屬于外顯子類型的circRNA，保守性較其他種類的circRNA更高[28]

3植物circRNA2個主要特征

3.1 穩(wěn)定性

circRNA分子呈封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，沒有 5^′ 帽狀結(jié)構(gòu)和3'poly（A）尾，在細(xì)胞內(nèi)不易被核糖核酸外切酶（ribonucleaseR，RNaseR）降解，所以結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，此外，在大部分細(xì)胞中，circRNA半衰期的中位數(shù)均比其同源線性 RNA 長[29]。因此，目前判定RNA是否成環(huán)的首要標(biāo)準(zhǔn)是在RNaseR處理后分子是否能夠穩(wěn)定存在。依據(jù)此特征，絕大多數(shù)circRNA研究的第1步是對樣品提取RNA后，進行RNaseR消化，排除線性RNA的干擾，得到circRNA，從而提高檢測circRNA的靈敏度，減少假陽性的數(shù)量，在此基礎(chǔ)上展開相應(yīng)研究，能夠保證試驗數(shù)據(jù)的精確性[30]

3.2 保守性

除穩(wěn)定性外，circRNA的另一個重要特征是保守性。研究表明，人與動物中編碼區(qū)衍生的circRNA普遍具有高序列保守性，而植物中不同物種間的circRNA也具有一定的保守性，但是這種保守性在物種與物種間又是有差異的[31]。Ye等在水稻和擬南芥中發(fā)現(xiàn)了超過700個circRNA的親本基因具有同源性，其中有300個同源基因在相似位點產(chǎn)生相似程度極高的circRNA，這表明circRNA在水稻與擬南芥兩者中具有高度保守性[4]。后來，Zhao等進一步比較了大豆和水稻、擬南芥同源基因產(chǎn)生的circRNA，發(fā)現(xiàn)大豆、擬南芥、水稻中分別產(chǎn)生circRNA的1995、8362、9385個親本基因中，685個基因?qū)υ诖蠖购蛿M南芥間高度同源[9]，1095個基因?qū)υ诖蠖古c水稻間高度同源，551對基因在3個物種中高度同源。因此，進一步說明circRNA在不同植物中具有保守性。但物種間的保守性也具有差別，如Chen等將玉米中2804個circRNA在擬南芥和水稻間進行保守性分析發(fā)現(xiàn)，玉米中的circRNA與擬南芥和水稻之間的保守性極低，分別為3對和47 對高度同源[7]。circRNA的保守性分析表明，物種間保守的circRNA可能具有相似的潛在生物學(xué)功能，具體還需要后續(xù)深入研究。

圖2circRNA分類

4植物circRNA主要功能

近年來，隨著RNA研究技術(shù)的進步，研究者們在多種植物不同生長發(fā)育階段以及逆境脅迫過程中都發(fā)現(xiàn)了circRNA，及其行使的重要生物學(xué)功能，例如circRNA能通過細(xì)胞和組織特異性表達(dá)，參與植物花的發(fā)育、果實的成熟等生長發(fā)育進程[32]，尤其是在植物中可誘導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)，包括多種生物與非生物脅迫響應(yīng)機制[33-34] 。

4.1參與植物營養(yǎng)生長調(diào)控

植物生長發(fā)育各階段中circRNA表達(dá)量存在差異，表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞、組織及發(fā)育的表達(dá)特異性，推測circRNA在調(diào)控植物生長發(fā)育方面具有一定作用[35-36]。如Zhao 等對大豆中circRNA 進行分析，共鑒定出5372個circRNA，同時預(yù)測出circRNA吸附的miRNA靶向的基因中，GmARF6和GmARF8參與大豆結(jié)瘤和側(cè)根發(fā)育；Luo等分析來自玉米自交系B73和Mo17幼苗葉片的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)大比例的circRNA在不同玉米自交系間存在序列或表達(dá)水平上的差異，一些circRNA可以翻譯成蛋白質(zhì)，進而表明玉米中circRNA存在廣泛種內(nèi)變異，可能起到調(diào)控種內(nèi)表型變異的作用[6]

circRNA也可調(diào)節(jié)植物葉片的發(fā)育和衰老。如Meng等檢測鑒定擬南芥葉片circRNA，評估circRNA與葉片發(fā)育關(guān)系，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生circRNA的親本基因偏向于葉片發(fā)育基因；功能富集分析發(fā)現(xiàn)親本基因在植物葉片的光合作用、脅迫響應(yīng)過程和其他代謝途徑等關(guān)鍵生物過程中富集；并首次構(gòu)建與葉片發(fā)育circRNA相關(guān)的ceRNA網(wǎng)絡(luò)，功能分析表明競爭相互作用是葉片發(fā)育的潛在調(diào)控機制，且參與ceRNA網(wǎng)絡(luò)的circRNA可能是葉片發(fā)育的新型調(diào)控因子[37]；劉騰飛在葉片生長到成熟階段以及成熟到衰老階段分別鑒定出6個和35個差異表達(dá)的circRNA，并且在擬南芥葉片壽命期內(nèi)circRNA表現(xiàn)出上調(diào)趨勢；通過對circRNA-miRNA-mRNA網(wǎng)絡(luò)中靶基因的GO和KEGG通路分析，發(fā)現(xiàn)circRNA可能在葉片衰老過程中參與植物激素信號傳導(dǎo)以及卟啉和葉綠素代謝等，暗示circRNA可能在擬南芥葉片衰老過程中作為新的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子發(fā)揮作用[3]

4.2參與植物生殖生長調(diào)控

不僅如此，有研究表明circRNA還參與了植物花粉發(fā)育調(diào)節(jié)以及果實成熟過程。Zeng等對早熟三葉橙及其野生型進行高通量測序，發(fā)現(xiàn)早熟三葉橙中有176個差異表達(dá)circRNA，其中61個顯著上調(diào)，115個下調(diào)，進而表明circRNA在三葉橙早熟開花過程中發(fā)揮重要作用[38];Chen 等利用大豆細(xì)胞質(zhì)雄性不育系NJCMS1A及其維持系NJCMS1B構(gòu)建circRNA文庫，鑒定出2867個circRNA，其中1009個circRNA在NJCMS1A和NJCMS1B之間差異表達(dá)，功能注釋發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)circRNA的親本基因大部分參與代謝、生物調(diào)控和生殖等生物學(xué)過程[39]；還從差異表達(dá)的circRNA中預(yù)測出83個miRNA，其中一些與花粉發(fā)育和雄性育性密切相關(guān)。Zhang等鑒定出2616個與沙棘果實發(fā)育過程相關(guān)的circRNA，這些circRNA均勻分布在沙棘染色體上。其中，1721個 （65.8% ）circRNA來自宿主基因的外顯子。此外，還預(yù)測了53個circRNA對應(yīng)的9個沙棘海綿miRNA，這些結(jié)果揭示出circRNA在沙棘果實成熟過程中的作用[40] ○

4.3參與逆境脅迫

參與逆境脅迫是植物circRNA特有的功能之一，也是目前研究最多的功能[41]。植物在自然環(huán)境下生長，往往會遭受不利于自身發(fā)育的環(huán)境因素，這些因素稱為逆境脅迫，而逆境脅迫又分為生物脅迫和非生物脅迫。生物脅迫是指對植物生存與發(fā)育不利的各種生物因素的總稱，通常是由感染和競爭所引起的，如病害、蟲害、雜草危害等；非生物脅迫是指生存環(huán)境中，非生物因素對植物造成的不利影響，如：干旱、洪澇、鹽堿以及溫度脅迫等[42-43] 。4.3.1生物脅迫目前生物脅迫方面關(guān)于circRNA的研究大多圍繞植物病害展開。Ghorbani等對感染伊朗玉米花葉病毒（maizeiranianmosaicvirus，MIMV）的玉米和未感染樣本鑒定和分析circRNA表達(dá)，發(fā)現(xiàn)受MIMV感染玉米中有155個circRNA上調(diào)，5個下調(diào)[44];Xiang等分析棉花的黃萎病高抗性品系CSSL-1和黃萎病易感品系CSSL-4中的circRNA，發(fā)現(xiàn)CSSL-4的circRNA差異表達(dá)量約為CSSL-1的2倍，并且CSSL-1中常見差異circRNA的表達(dá)水平普遍高于CSSL-4^[45] 。此外，circRNA還在水稻稻瘟病感染[5]、大豆蟲害損傷脅迫[46]等生物過程中發(fā)揮了積極的調(diào)節(jié)作用，在植物防御生物脅迫反應(yīng)中不可或缺。

4.3.2非生物脅迫非生物脅迫的種類更加復(fù)雜，因此circRNA在各種非生物脅迫中的功能也更為多樣，甚至相同植物的circRNA也會因受到不同類型的非生物脅迫而表現(xiàn)出不同的功能。例如擬南芥的熱脅迫處理，分別在 38^qC 處理后的樣品和對照樣品中檢測到1583、488個circRNA，表明熱脅迫顯著增加了circRNA的形成[47]；而在擬南芥干旱脅迫試驗中，過表達(dá)基因circGORK（guardcell outward -rectifying K⁺ -channel），觀察到轉(zhuǎn)基因植株比對照植株在嚴(yán)重干旱脅迫下更易存活，并且發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥的葉片失水速度比對照葉片慢，表明circRNA對調(diào)控干旱脅迫有直接作用[48]；大豆低溫4^°C 脅迫下，在葉片中鑒定出749個circRNA[49]；低磷脅迫下，大豆耐受型根系中只有3個circRNA表達(dá)上調(diào)，1個circRNA表達(dá)下調(diào)，而敏感型根系中分別有15個和13個circRNA表達(dá)上調(diào)和下調(diào)8

不同植物中circRNA的表達(dá)在相同類型脅迫下也存在差異。如熱脅迫下，進行黃瓜高溫脅迫響應(yīng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析并預(yù)測lncRNA/circRNA的潛在ceRNA功能，發(fā)現(xiàn)共有18種IncRNA和7種circRNA結(jié)合114種差異表達(dá)miRNA，與359種mRNA競爭miRNA結(jié)合位點;這些mRNA可能參與植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物病原體相互作用和谷胱甘肽代謝等途徑[50]；蘿卜中也發(fā)現(xiàn)熱脅迫后差異表達(dá)的circRNA，同時預(yù)測circRNA可通過吸附miRNA影響激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進而響應(yīng)脅迫[\"；此外，Zhang等對玉米進行不同程度的干旱處理，發(fā)現(xiàn)circRNA的相對數(shù)量隨著干旱程度的增加而增加，這意味著circRNA在玉米干旱響應(yīng)中發(fā)揮重要作用，而編碼鈣依賴性蛋白激酶和細(xì)胞分裂素氧化酶/脫氫酶的干旱脅迫響應(yīng)基因circRNA表達(dá)水平，與玉米幼苗的抗旱性顯著相關(guān)，進而說明circRNA在玉米耐旱性中起到積極作用[48]。干旱脅迫下，小麥中鑒定出88個候選circRNA，且有62個差異表達(dá)，功能注釋出circRNA參與脫水響應(yīng)過程中的光合作用、卟啉和葉綠素代謝、氧化磷酸化、氨基酸生物合成和代謝以及植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生物途經(jīng)[51]；干旱脅迫下，梨中總共鑒定出899個circRNA，其中23個上調(diào)，10個下調(diào)[52]。

同一植株在同一脅迫下，不同的組織部位circRNA的表達(dá)也可能存在差異。如低溫脅迫下番茄果實中發(fā)現(xiàn)138個circRNA上調(diào)，25個circRNA下調(diào)[25]；番茄葉片中發(fā)現(xiàn)1115個circRNA上調(diào)，644個circRNA下調(diào)[12]

5展望

近年來，circRNA憑借獨特的結(jié)構(gòu)特點成為整個RNA界的后起之秀。雖然最初被認(rèn)為是RNA錯誤剪接的副產(chǎn)物，不具有調(diào)控生命活動的功能，但隨著高通量測序技術(shù)深度和覆蓋度的不斷提升，以及生物信息學(xué)分析和分子鑒定技術(shù)的日趨成熟，circRNA獨特的性質(zhì)和強大的功能越來越被科學(xué)家們重視[53]。現(xiàn)有研究結(jié)果強有力地支持circRNA在各種動物和人類疾病，特別是腫瘤病中發(fā)揮基礎(chǔ)作用[54-55];相比之下，植物circRNA的研究仍處于起步階段，今后的重點研究方向可以聚焦于以下3個方面：

（1）植物circRNA的鑒定有待進一步完善。目前植物circRNA的鑒定主要依賴高通量測序技術(shù)，然而，同一物種中不同算法鑒定出的circRNA數(shù)量差異較大，具有較高的假陽性。因此，通過不同測序技術(shù)、測序深度、預(yù)測工具、計算方法以及處理方法相結(jié)合，可以有效提高植物circRNA鑒定的精度和準(zhǔn)度。近年來興起的三代測序技術(shù)，可有效避免二代測序短片段組裝circRNA全長序列所帶來的線性轉(zhuǎn)錄本污染以及定量不準(zhǔn)等問題。大于 10kb 長度的circRNA全序列組裝，實現(xiàn)了基因組的均勻覆蓋，同時可獲得circRNA真實完整的序列并識別其中隱藏的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使植物circRNA的鑒定工作在精準(zhǔn)度、檢出率以及靈敏度等方面都大幅提升[56-58]

（2）植物circRNA的形成機制需要深人挖掘。動物中circRNA的形成主要有內(nèi)含子驅(qū)動環(huán)化、套索驅(qū)動環(huán)化以及RNA結(jié)合蛋白驅(qū)動環(huán)化三大機制[26-27]。而目前少量的研究結(jié)果表明，植物中circRNA形成機制比較復(fù)雜和多樣，且尚未形成主次，涉及到的一些生物學(xué)過程有轉(zhuǎn)座子調(diào)控、circRNA側(cè)翼序列內(nèi)含子高度甲基化以及可變剪接的有效參與等[7.31，59]。其中，解析哪種機制起主導(dǎo)作用，以及該機制中circRNA如何受到調(diào)控而產(chǎn)生等問題，對深入理解植物circRNA十分重要。此外，植物和動物之間circRNA形成機制的差異，也可作為一個重點關(guān)注方向。

（3）植物circRNA所發(fā)揮的具體功能存在諸多空白仍需填補。與動物circRNA較為系統(tǒng)化的功能研究相比，植物circRNA的功能研究多數(shù)還停留在生物信息學(xué)功能預(yù)測階段。這主要是因為circRNA與線性RNA都來源于相同的 ，植物中傳統(tǒng)的RNAi技術(shù)很難沉默circRNA[61]，使獨立于線性RNA而單獨研究circRNA十分困難。然而，隨著 CRISPR-Cas 基因編輯技術(shù)的飛速發(fā)展[62-65]，其在非編碼基因功能分析方面十分強大，可以通過靶向缺失產(chǎn)生空等位基因，這為植物circRNA的功能研究提供了全新的視角和策略。尤其近期出現(xiàn)的CRISPR-Cas13能有效且特異區(qū)分circRNA和mRNA，有望成為能在單個和大規(guī)模水平上識別circRNA并研究其功能的有利工具[64-67]。植物circRNA功能的研究，若能搭載上基因編輯這一技術(shù)高速列車，未來必然能夠得到蓬勃發(fā)展。

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