大豆是重要的粮油作物。豆薯层锈菌 (Phakopsora pachyrhizi) 是本世纪最具破坏性的植物病原菌之一，由其引起的大豆锈病可导致大豆减产80%-90%。近年来，大豆锈病在我国南方和西南大豆产区呈现爆发态势，然而目前抗锈病的商业化大豆品种较为稀缺。大豆锈病的防控主要依赖化学农药，由于田间大豆锈菌快速变异，导致一些农药药效急剧下降，大豆锈病的防治面临巨大挑战。喷雾诱导基因沉默 (Spray-Induced Gene Silencing, SIGS) 是通过合成靶向病原菌致病因子的双链RNA (double-stranded RNA, dsRNA) 或小分子RNA，喷洒在植物表面抑制病原菌的致病力，实现病害防控。基于SIGS技术的核酸农药被称为“农药史上第三次革命”，具有高效、绿色的特点，为病害绿色防治提供了新途径。因此，挖掘新靶标，开发SIGS技术，有望为大豆锈病的绿色防控创建新策略。
在病原菌与寄主互作过程中，病原菌分泌的效应子是其攻击寄主的重要“武器”，目前已有以保守效应子为靶标研发杀菌剂的先例。然而大豆锈病菌基因组复杂 (大小超过1Gb，约90%为重复序列)，且活体专性寄生锈菌分离培养与遗传操作困难，致使人们对大豆锈病菌及其效应子功能认识不足。
近日，JIPB在线发表了南京农业大学王源超课题组题为“Profiling of Phakopsora pachyrhizi transcriptome revealed co-expressed virulence effectors as prospective RNAi targets for soybean rust management”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13772)，该研究明确了大豆锈病菌侵染循环，绘制了大豆锈病菌侵染转录图谱，揭示了三个质外体效应子抑制寄主免疫的功能，并设计出靶向效应子的纳米核酸农药，有效降低大豆锈病发生。
图1. 大豆锈病菌侵染进程
随后利用转录组技术，对大豆锈病菌夏孢子以及不同侵染阶段样本进行了RNA-seq。通过质量控制流程，研究人员获得了高质量样品数据，随后进行了加权基因共表达网络分析（Weighted Correlation Network Analysis, WGCNA），成功解析和注释了大豆锈病菌在各个侵染阶段共表达的10个基因模块(图2)。
图2. 大豆锈菌加权基因共表达网络分析
进一步通过生信分析，鉴定到高达806个效应子也具有共表达的特征，且效应子和寄主基因表达均呈现一致的“双相”现象。经过基因克隆和功能筛选，鉴定到3个在不同大豆锈菌菌株中保守的质外体效应子 (P. pachyrhizi apoplastic effectors)，分别命名为PpAE1，PpAE2和PpAE3。三个效应子均能抑制由PAMP引起的细胞坏死和活性氧迸发等免疫反应。生化实验进一步表明三个效应子对于大豆锈病菌抑制植物免疫和促进自身定殖至关重要。最后，研究人员同时以PpAE1、PpAE2和PpAE3为靶标，合成了dsRNA并使用纳米材料壳聚糖进行装载，开发SIGS技术进行基因沉默，显著抑制了大豆锈病的发生(图3)，并为大豆抗锈菌提供了长效保护。该研究在国内外率先提出以大豆锈病菌保守效应子为靶标创制核酸农药的新理念。
图3. SIGS靶向效应子降低大豆锈病发生
Ouyang, H., Sun, G., Li, K., Wang, R., Lv, X., Zhang, Z., Zhao, R., Wang, Y., Shu, H., Jiang, H., et al. (2024). Profiling of Phakopsora pachyrhizi transcriptome revealed co-expressed virulence effectors as prospective RNA interference targets for soybean rust management. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13772
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