PBJ | 中国科学院微生物研究所郭惠珊团队合作利用跨界RNAi创制抗蚜棉花新种质

学术 2024-12-12 08:00 英国

RNA沉默（RNA干扰，RNAi）是真核生物基因表达调控的保守机制。诺贝尔生理与医学奖分别于2006年和2024年两次授予RNAi相关研究领域的科学家，说明了RNAi机制在真核生物基因表达调控中的重要性。中国科学院微生物研究所郭惠珊研究团队长期从事RNAi机制及其在作物-病原互作中的功能与应用研究。2016年，郭惠珊团队在国际上首次报道了自然界中植物-真菌跨界RNAi现象，为利用宿主诱导基因沉默（HIGS）技术抗病育种提供了理论基础。在此基础上，郭惠珊团队创建了抗黄萎病RNAi棉花培育体系。2024年12月5日，Plant Biotechnology Journal 杂志在线发表了郭惠珊研究团队和与新疆农垦科学院棉花研究所谢宗铭研究团队的最新研究成果“HIGS-mediated crop protection against cotton aphids”，该研究基于跨界RNAi，在棉花中表达特异性靶向棉蚜AgDPPS1基因的dsRNA，有效地提高了棉花对棉蚜的抗性，获得了抗蚜虫的RNAi棉花新种质。

棉花是重要经济作物，是国计民生不可或缺的基础物资。多种病虫害影响棉花生长发育，威胁我国棉花产业安全。棉蚜属于半翅目刺吸式昆虫，以无性繁殖为主且寄主范围广泛，通过直接取食作物和传播病毒引起植物病害，被视为危害极大的农业害虫。棉蚜对棉花的品质及产量造成了严重的影响。尽管杀虫剂短期内能够防治半翅目害虫，但害虫强大的繁殖和迁移能力以及耐药性的产生，仍然造成了重大的经济损失。培育抗性品种是作物抵抗病虫害的有效手段。表达苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）毒素的植物已经成功应用于作物对鳞翅目和鞘翅目害虫的防控，然而该方法对蚜虫无效。在中国的Bt棉花种植区，约90%的总面积遭受严重的蚜虫侵害，蚜虫已演变为Bt棉田中最常见的害虫。缺乏抗性基因阻碍了利用传统育种方法培育抗蚜作物新品种。因此，利用新的技术手段开发棉花抗蚜品种是非常有必要的。

郭惠珊研究团队针对棉蚜生长关键基因AgDPPS1设计dsRNA，获得了两个稳定表达sRNA的RNAi棉花新种质：AgDPPSi-1和AgDPPSi-2（图1）。郭惠珊研究团队与谢宗铭研究团队合作，从新疆发生棉蚜病害的棉田的棉花叶片上收集蚜虫（图1），用于实验室RNAi棉花抗性检测。

在实验室中，将在棉田中收集的蚜虫分别接种到RNAi棉花（AgDPPSi）和受体对照棉花（WT）的叶片上，并在第1天和3天分别拍照记录。接种3天后，与受体对照棉花叶片相比，AgDPPSi-1和AgDPPSi-2叶片上蚜虫数量明显降低。与第1天相比，取食受体对照棉花叶片的蚜虫总数显著增加；同时，在AgDPPSi叶片上蚜虫死亡数量增加，存活蚜虫数量减少（图2）。

研究团队对取食受体对照棉花和RNAi棉花叶片的蚜虫的进行动态监测，观察了取食两种叶片1天和3天后的蚜虫状态并统计蚜虫数量。在受体对照棉花叶片上，1天后观察到新生若虫，第3天新生若虫的数量增加（图3A，红色圆圈）。而在AgDPPSi棉花叶片上，蚜虫活性降低，并很少观察到新生若虫，最终在AgDPPSi叶片上死亡（图3A）。团队对受体对照棉花和AgDPPSi棉花5个叶片上取食的蚜虫分别进行数量统计。结果证实，与第1天相比，取食受体对照棉花叶片3天的蚜虫数量明显增加，但以AgDPPSi叶片为食的蚜虫数量显著降低（图3B）。这些结果表明，AgDPPSi植物有效地降低了蚜虫的存活率（约50%）和繁殖力。进一步，团队收集供试蚜虫并检测其AgDPPS1基因的表达量。结果表明，与取食受体对照棉花叶片的蚜虫相比，取食AgDPPSi棉花叶片蚜虫的AgDPPS1基因的表达水平显著降低（图3C），证实实验室条件RNAi棉花通过抑制棉蚜AgDPPS基因提高棉花抗性。

在新疆农垦科学院生物技术研究所试验基地（新疆维吾尔自治区石河子市），团队对AgDPPSi棉花田间抗蚜性进行了检测。在棉田中用纱网覆盖试验区域，整个棉花生长季节不施用杀虫剂，为蚜虫爆发和行为分析提供一个相对稳定的环境（图4A）。与受体对照棉花相比，AgDPPSi棉花在整个生育期生长更健康。在许多受体对照棉花叶片正面观察到蚜虫分泌物，而在叶柄和背面观察到许多蚜虫的成虫和若虫（图4B）。田间蚜虫数量统计结果表明，定殖于RNAi棉花叶片的蚜虫数量显著低于受体对照（图4C）。收集田间蚜虫进行Northern blot检测，结果显示定殖RNAi棉花的蚜虫的AgDPPS1基因mRNA被降解，证实田间RNAi棉花通过抑制蚜虫AgDPPS1基因表达获得对蚜虫的抗性（图4D）。

中国科学院微生物研究所博士研究生田文、张涛高级工程师和赵建华研究员为该文章的共同第一作者，新疆农垦科学院棉花研究所谢宗铭研究员和中国科学院微生物研究所郭惠珊研究员为文章共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、新疆生产建设兵团科技计划和中国科学院国际合作计划等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.14529

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