长久以来转录水平的调控被视为植物响应逆境的核心。然而随着技术的发展我们发现仅仅依赖“基因-mRNA-蛋白质”的单一线性转录调控并不足以完全解释植物在复杂多变环境中所表现出的极高可塑性。其中前体mRNA的可变剪接作为一种关键的转录后调控机制正逐渐成为植物逆境生物学研究的新焦点。本期我们和大家分享一篇2025年的发表在Annual Review of Plant Biology的重磅综述其系统梳理了植物如何通过对pre-mRNA的可变剪接进行动态重编程来响应非生物/生物胁迫并从机制-调控因子-可视化工具-CRISPR编辑改造的全链条提出以AS为靶点育种抗逆作物的路线图。在多细胞植物中高达80%的多外显子基因会发生可变剪接。这意味着单一基因可以通过不同的剪接方式产生多种不同的mRNA异构体极大地丰富了植物的转录组与蛋白质组多样性。相比于耗时较长的从头转录可变剪接是一种能对外界刺激做快速反应的“分子开关”。它通过迅速改变特定基因的剪切模式决定蛋白的活性、亚细胞定位乃至稳定性从而在短时间内赋予植物抗逆性。01 前言介绍1.1 前体mRNA的剪接在光合真核生物中大多数蛋白编码基因含有内含子因此前体mRNA必须经过剪接去除内含子并连接外显子形成可翻译的成熟转录本。该过程主要由剪接体介导其由5种snRNA及大量相关蛋白组成。剪接体通过识别5′剪接位点、3′剪接位点、多聚嘧啶区和分支点等关键顺式元件依次完成复合体组装和两步转酯反应实现内含子切除和外显子连接。根据组成差异剪接体可分为负责大多数经典GT-AG型内含子剪接的U2依赖型剪接体以及负责少数U12型内含子剪接的U12依赖型剪接体。这一基础过程构成了植物可变剪接发生与调控的分子前提。1.2 可变剪接及其普遍性常见的可变类型包括内含子保留RI、外显子跳跃ES、可变5剪接位点A5’SS、可变3剪接位点A3’SS或互斥外显子MXEs特征的转录本图1其中RI在植物中最为常见。AS不仅显著增加转录组和蛋白质组的复杂性还可通过改变蛋白结构域、翻译后修饰位点及mRNA稳定性影响基因功能。特别是含提前终止密码子的异构体往往会被NMD途径降解说明AS还可与mRNA质量控制协同调节基因表达。随着Iso-seq等高精度转录组技术的发展植物AS异构体的识别与注释正不断完善为深入解析其在生长发育和逆境响应中的功能奠定了基础。图1非生物和生物胁迫对AS的诱导作用以及拟南芥中观察到的AS事件发生频率。1.3 可变剪接的调控机制植物可变剪接的调控依赖于多层次分子机制的协同作用。其中前体mRNA上的剪接调控元件SREs与识别这些元件的反式作用剪接因子共同决定剪接位点选择RNA二级结构则可通过遮蔽或暴露剪接位点影响剪接体组装此外lncRNA和circRNA还可通过与剪接因子、前体mRNA或染色质互作进一步重塑AS输出。值得注意的是植物中SRE及RNA-蛋白互作的研究仍相对不足这在一定程度上限制了植物AS调控网络的系统解析。总体来看AS是由RNA序列、RNA结构和非编码RNA共同塑造的复杂调控过程这也是植物逆境响应中AS调控机制研究面临的重要挑战。图2剪接过程与前体mRNA序列。02 可变剪接在非生物胁迫响应中的作用可变剪接在植物非生物胁迫响应中具有重要调控作用并与ABA信号通路紧密相关。以拟南芥为例剪接因子RBM25通过调控HAB1ABA信号传导的关键负调控因子前体mRNA的可变剪接影响功能性异构体HAB1.1与非功能性异构体HAB1.2的比例从而调节植物对ABA的敏感性。该研究表明AS不仅参与逆境相关基因表达调控还可通过重塑激素信号通路影响植物抗逆性。2.1在冷胁迫与低温响应中可变剪接重编程关键调控因子的基因表达已有研究发现木薯、玉米、石斛、藜麦和橡胶树等植物在低温条件下均发生显著的AS变化这些变化与激素调控、氧化还原代谢、胺代谢以及耐寒性差异密切相关提示AS可能是塑造植物冷适应能力的重要分子基础。与此同时AS还通过调节昼夜节律和开花相关基因参与低温适应。总体来看AS在植物低温响应中兼具胁迫应答与发育整合双重功能是理解植物耐寒分子机制的重要切入点。2.2 除转录因子外的其他基因的前体mRNA在冷胁迫下表现出剪接模式的改变可变剪接在植物低温响应中具有广泛而具体的功能不仅调节冷响应RNA结合蛋白和关键酶类基因还参与光合作用维持、抗氧化防御、开花调控及产品品质形成等过程。例如CbDRH、MfEF2、Rubisco活化酶、OsFe-SOD和HOS1等基因的剪接变化均与植物耐寒适应密切相关而马铃薯INH2的低温诱导剪接则进一步说明AS还可通过调控糖代谢影响贮藏品质。由此可见AS不仅是植物感知和应对低温胁迫的重要分子机制也是连接抗逆性状与农艺品质改良的重要调控层级。2.3 盐胁迫产生新型剪接变异体在盐胁迫响应中可变剪接通过调控转录因子、内质网应激因子、离子转运蛋白、抗氧化相关蛋白及信号转导组分广泛参与植物耐盐性形成。例如HvDRF1、bZIP60、OsIM1、CdDHN4、SRAS1、OsNHX1和OsMAPK5等基因的剪接变化表明不同异构体可在转录激活、蛋白稳态维持、ROS清除、离子稳态调控及激酶活性维持等方面发挥差异化功能。由此可见AS不仅增强了植物盐胁迫响应的调控灵活性也为耐盐性状改良提供了重要分子靶点。2.4 干旱胁迫对可变剪接的影响在干旱胁迫响应中可变剪接通过调控转录因子、ABA信号组分、蛋白磷酸酶、代谢酶和转运蛋白等多类关键基因广泛参与植物耐旱性形成。ZmDREB2A、TaDREB3、CiFD、Sc-MYBAS1、ZmPP2C26、P5CS1、ZIFL1和VRF1等基因的研究表明AS不仅能够决定功能型异构体的积累还可通过改变蛋白结构域、互作能力、亚细胞定位及mRNA输出方式影响渗透调节、气孔关闭、光合能力和胁迫诱导开花等过程。因此AS是植物整合干旱信号与发育响应、实现环境适应的重要分子机制。03应对生物胁迫的可变剪接3.1 针对病毒的可变剪接可赋予抗性病毒侵染会广泛改变植物的可变剪接模式。可变剪接直接影响抗病基因R genes的功能烟草N基因通过可变剪接产生两种异构体Ns和NL。NL含有一个提前终止密码子会导致编码的LRR结构域截短。在未感染时植物中以Ns为主在烟草花叶病毒感染后NL转录本变为优势形式。此外AS还参与多种免疫相关基因的调控。病毒还可能直接作用于宿主剪接系统如番茄黄化曲叶病毒病的复制起始蛋白Rep可与调控RNA剪接和mRNA输出的宿主蛋白复合体互作而马铃薯A病毒和马铃薯Y病毒感染也会引起剪接相关蛋白、核糖体组成及RNA修饰状态的变化。3.2 真菌、卵菌、细菌及线虫感染可调控可变剪接AS直接调控抗病基因的抗性输出水稻R基因RGA5可产生两个剪接异构体。RGA5-A赋予对稻瘟病菌的抗性RGA5-B含有内含子滞留导致开放阅读框被破坏。尽管RGA5-B本身与易感相关但其能够与病原效应子AVR1-CO39互作提示该异构体可能并非单纯“无功能产物”而是在感染应答中具有特定作用。除R基因外AS还广泛调控植物免疫相关信号因子和转录因子。比如OsNPR3、OsWRKY和OsDR11等免疫调控因子的不同剪接体则可分别发挥促抗或促感作用体现出AS对免疫平衡的精细调控。与此同时病原也可通过效应子干扰宿主前体mRNA剪接如大豆疫霉菌效应子PsAvr3c通过作用于宿主剪接调控蛋白重塑防御相关基因的剪接模式。剪接因子、RNA结合蛋白以及染色质重塑因子也共同参与这一过程。小麦对白粉病、条锈病以及植物对线虫侵染的研究进一步表明AS在不同植物—病原体系中普遍参与免疫调控。因此AS不仅是植物防御网络的重要组成部分也是病原操纵宿主免疫的关键靶点。04剪接因子及调控因子在应激反应中的作用SR蛋白和hnRNP类蛋白是植物中最常见的非snRNP剪接因子能够通过识别pre-mRNA并调控剪接位点选择广泛参与组成型剪接和可变剪接调控。在逆境条件下这些剪接因子本身还会发生表达变化、AS重编程、翻译后修饰及亚细胞定位改变从而进一步影响下游胁迫响应网络。已有研究表明SR蛋白不仅参与盐、低温、高温和干旱等非生物胁迫应答还涉及磷稳态维持、重金属响应及植物免疫调控。然而不同SR蛋白对抗逆性的作用方向并不一致提示其功能具有明显的基因特异性和环境依赖性。因此非snRNP剪接因子既是解析植物逆境适应机制的重要切入点也是潜在但需谨慎开发的分子改良靶标。05可变剪接调控与其他类型调控之间的相互作用可变剪接与表观遗传调控之间存在密切联系二者共同构成植物逆境响应中的重要调控网络。拟南芥中RDM16兼具剪接因子和RdDM(RNA介导的DNA甲基化)相关功能其突变体中大量RI事件的出现提示AS与DNA甲基化途径存在交叉调控。此外内含子-外显子边界附近的DNA甲基化、核小体分布及染色质开放状态均与AS模式密切相关。与此同时许多DNA修复相关基因也会发生可变剪接表明AS可能通过影响DNA修复基因表达及表观遗传状态参与植物DNA损伤应答。因此AS不仅是植物基因表达调控的重要层级也可能是连接表观遗传重塑与基因组稳定性维持的关键机制。06体内检测剪接异构体表达及鉴定剪接调控因子的剪接报告系统pre-mRNA剪接的体内检测与可视化技术为植物可变剪接研究提供了关键工具。基于荧光蛋白、生物发光蛋白及显色系统构建的单/双报告平台能够实现对剪接异构体的实时、无损和时空特异性监测并可用于分析剪接因子功能、评估SRE作用以及开展高通量筛选。尤其是双荧光报告系统、SpliceRUSH及Ruby可视化平台的建立使植物剪接研究从静态检测逐步走向动态观察、功能解析与规模化筛选为深入揭示AS调控机制及其应用潜力奠定了技术基础。图3一种由基因编码的视觉剪接报告分子。07基因工程调控可变剪接以改良性状基于上述研究培育抗逆作物需要调控特定剪接异构体的表达水平这需要对可变剪接进行精确调节。利用CRISPR-Cas工具可在DNA、RNA或蛋白质水平上对可变剪接进行调控。图4在多个层面调节AS。7.1 在DNA水平上的可变剪接调控利用T-DNA插入突变、CRISPR-Cas9及碱基编辑等技术调控植物可变剪接已成为解析AS功能和开展性状改良的重要策略。已有研究表明直接突变剪接因子虽可揭示其在全局基因表达和剪接调控中的作用但通常伴随明显多效性限制了其在精准育种中的应用。相比之下定向编辑目标基因的剪接位点能够更精确地调控异构体组成和基因表达输出已成功应用于水稻芳香性形成、木薯抗病毒改良、拟南芥开花调控及稻米品质优化等方面。此外碱基编辑技术通过单碱基水平改变剪接供体或受体位点进一步提高了AS工程化的精准度。总体来看基于剪接位点的定点编辑比基于剪接因子的全局编辑更具作物改良潜力。7.2 在RNA水平上对特定剪接异构体的调控除DNA层面的剪接位点编辑外RNA层面的CRISPR调控系统正在成为可变剪接工程化的重要新方向。以Cas13和dCas13为代表的RNA靶向工具可通过识别转录本上的顺式调控元件和SRE定向促进特定异构体的降解或形成从而实现对剪接结果的精准干预。新近发展的CasFx系统进一步表明人工剪接因子可在RNA水平调控外显子包含与排除并具有多靶点和可诱导调控等优势。结合水稻OsWRKY62、OsWRKY76和OsDr11等异构体在抗病中的功能研究可以看出,RNA层面的定向剪接调控有望成为植物功能异构体解析和优良性状创制的重要技术路径。不过这类方法在植物中的应用总体仍处于探索阶段未来仍需在递送体系、稳定表达和调控特异性等方面进一步完善。7.3 通过剪接因子的靶向翻译后修饰调控可变剪接翻译后修饰和自然序列变异分别代表了植物可变剪接调控的两类重要层面。前者通过改变剪接因子或RNA结合蛋白的稳定性、定位和活性动态调控剪接结果后者则通过SNP或剪接位点附近序列差异改变异构体组成从而塑造表型多样性。已有研究表明SR45、LSM4等剪接相关蛋白的磷酸化、去磷酸化或甲基化与植物发育及逆境响应密切相关而水稻OsMADS1/OsLG3B和玉米ZmBGLU17等基因的自然变异则证明了AS可作为连接基因组变异与农艺性状的重要分子纽带。由此可见PTM调控和AS相关自然变异不仅丰富了植物AS的调控层级也为功能基因解析和作物分子设计育种提供了新的思路。7.4 通过定向进化剪接调控因子赋予新性状除直接编辑剪接位点和剪接因子外提高pre-mRNA剪接效率还可通过保护剪接体组分免受抑制实现。例如利用CRISPR-Cas定向进化改造剪接体蛋白SF3B1可赋予其对除草剂的抗性说明剪接体核心组分具有工程化潜力。总体来看CRISPR-Cas系统可通过剪接因子编辑、负调控因子敲除、异构体靶向降解、剪接位点及SRE编辑、翻译后修饰诱导和蛋白定向进化等多种方式调控可变剪接同时天然有利异构体的过表达也可用于植物性状改良。结 论总的来看可变剪接是植物应对复杂多变环境的重要调控层。它通过改变转录本组成和异构体比例扩大了基因表达输出的多样性从而在植物发育、逆境应答和胁迫耐受中发挥关键作用。近年来关于AS在不同环境和发育条件下调控规律的研究不断深入但其与胁迫信号、其他转录后调控机制以及翻译后修饰之间的互作关系仍需进一步阐明。随着高通量测序、计算分析以及基因组、表观基因组和转录组编辑技术的发展植物AS事件的鉴定、定量、可视化和功能解析将更加精准高效。这些进展不仅有助于深化对植物环境适应机制的理解也将推动基于AS调控的作物分子设计育种为提升作物抗逆性、农业可持续发展和全球粮食安全提供新的思路和技术支撑。