利用跨界RNAi和环境RNAi来控制作物病害的技术与应用

导读

小RNA(sRNA)介导的RNA干扰(RNAi)是一种几乎在所有真核生物中都保守的调控机制。无论是在内源性sRNA还是通过宿主和病原体间双向传输的跨界RNA(cross-kingdom RNA），sRNA在宿主与病原体的相互作用中起着至关重要的作用。跨界RNAi是寄主诱导基因沉默(HIGS)的机制基础，它依赖于作物中以病原体基因为靶标的RNA的遗传表达，并已成功地用于对抗微生物病原体和害虫。

同时，研究表明双链RNA和sRNA可以被许多真菌病原体有效地摄取，并诱导真菌细胞中的基因沉默。这一机制被称为环境RNAi(environmental RNAi），允许直接将病原菌基因靶向RNA应用于作物，以沉默真菌毒力相关基因以达到植物保护的目的。

在这篇综述中，作者重点介绍如何利用跨界RNAi和环境RNAi来控制作物病害。

2021年7月1日，来自加州大学河滨分校的金海玲实验室和南京农业大学牛冬冬课题组等在生物技术Top期刊Current Opinion in Biotechnology 上发表了题为“RNAs — a new frontier in crop protection”的综述文章，重点介绍如何利用跨界RNAi和环境RNAi来控制作物病害，尤其是喷雾诱导基因沉默（SIGS）防治作物病害的理论基础和实际应用。

RNA干扰（RNAi）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。dsRNA在农业上的应用方式，特别是在病虫害防治中的应用方式，可以通过三种方式来实现：① 寄主诱导的基因沉默（host-induced gene silencing，HIGS）、② 病毒诱导的基因沉默（virus-induced gene silencing，VIGS）、③ 喷雾诱导的基因沉默（spray-induced gene silencing，SIGS）。

其中，HIGS需要通过转基因作物来表达针对害虫或病原物的dsRNA，VIGS是近几年被报道的相当新颖的应用方法，基于病毒工程在昆虫体内产生足量的dsRNA，SIGS则更类似于传统农药的施用方法，通过非转基因手段，直接向环境中喷施或注射dsRNA，通过害虫取食或病原体侵染的过程而起作用。

SIGS策略的关键考虑因素：

1. dsRNA片段的设计原则：

首先，序列设计必须考虑所选靶序列的二级结构，因为复杂的RNA结构可以防止sRNA和靶之间的碱基配对，并抑制RISC复合体对mRNA的切割。其次，由此产生的siRNA应该被设计成避免在guide-RNA中形成二级结构，这可能会显著降低沉默的强度。特别是在HIGS应用中，设计与AGO1有利结合的sRNA将会更好地装载到EV中，然后运输到病原体或害虫中。最后，sRNA长度的优化。

2. 病原体RNA摄取

病原体的RNA摄取效率是决定SIGS策略对该病原体的有效程度的关键。不同的病原体之间有着明显的差异。

3. 植物对外源dsRNA吸收效率

除了被病原体或害虫直接摄取外，外源RNA也可能被植物细胞内化。不同植物对外源dsRNA吸收效率不同。发现高压喷雾是将外源siRNAs导入植物细胞诱导RNAi的有效方法。事实上，叶芽喷洒比叶柄吸收或树干注射更有效地诱导RNAi。此外，受损植物表面的dsRNA摄取效率高于健康的植物表面。DsRNAs分子在喷雾中的吸收效率可能与气孔开度和保护表面层等吸收效率参数有关。

同时，作者也讨论了纳米粒子作为RNAi载体在作物保护中的应用。包括无机纳米颗粒和有机纳米颗粒，及其他RNA传递策略。