郭惠珊团队Nature Plants：发现微生物种间RNAi并创建新型作物病害防控技术体系 | 种康院士和周俭民研究员点评

2023-08-31 01:08

近日，中国科学院微生物研究所郭惠珊研究团队在Nature Plants杂志发表题为“Microbe-induced gene silencing boosts crop protection against soil-borne fungal pathogens”的研究论文。该研究发现了作物根际真菌的种间RNA干扰（种间RNAi），即sRNA能在真菌间传递并诱导RNAi；并创建了基于种间RNAi的Microbe-induced gene silencing（MIGS）技术体系，开发了以有益微生物为“sRNA抗菌剂”天然载体的微生物制剂，有效抑制棉花和水稻的土传真菌病害。

由sRNA介导的RNAi是真核生物基因表达调控的保守机制。郭惠珊研究团队早期在国际上首次报道了天然存在的植物-真菌跨界RNAi，即植物的sRNA被转运进入真菌细胞，降解毒力基因的RNAi现象（Zhang et al., 2016. Nature Plants）；并创制了基于跨界RNAi的棉花抗黄萎病种质（Zhang et al., 2016. Molecular Plant）。这种基于跨界RNAi的寄主诱导的基因沉默（Host-induced gene silencing，HIGS）的抗病技术，摆脱了传统抗病育种对抗性种质资源的依赖。但是，大多作物缺少成熟的遗传转化体系或者转化周期长，限制了HIGS技术的推广与应用。

植物根际天然存在着大量有益微生物。为了探索同一生境的微生物是否存在种间RNAi，以发展不依赖寄主的抗菌sRNA微生物，研究团队首先从根际微生物中，筛选得到了能进行遗传操作的益生菌（哈茨木霉，Th），以土传病原真菌（大丽轮枝菌，V592-GFP）携带的GFP为靶标，构建了能靶向目标sRNA的RNAi工程菌（Th-GFPi），成功创建了可视化的MIGS体系，当与Th-GFPi菌株共培养时，V592-GFP绿色荧光明显减弱（图1）。该结果证明了种间RNAi的存在，RNAi工程菌Th-GFPi能够将sRNA传递到细胞外，并进入V592-GFP真菌细胞发挥RNAi作用。

图1. 可视化MIGS。白色星号标记的为哈茨木霉，红色星号标记的为大丽轮枝菌。

为了检测MIGS技术能否应用于作物病害防控，研究团队分别构建了靶向大丽轮枝菌（Th-Pmt2i）和尖孢镰刀菌（Th-Pmt2i^Fo）特异基因的工程菌。在含有大丽轮枝菌（V592）或尖孢镰刀菌（Fsu）的培养基中，Th-Pmt2i 和Th-Pmt2i^Fo分别特异抑制靶标真菌的生长（图2）。

图2. 抑菌圈实验。Th-Pmt2i和Th-Pmt2iFo分别特异抑制V592或Fsu。

在自然土壤环境中，与野生型Th相比，Th-Pmt2i菌株表现出更强的防控棉花黄萎病的作用（图3A）。同样，Th-Pmt2i^Fo比野生型Th表现出更强的防控水稻病害的作用，水稻株高和鲜重明显增加（图3B）。以上结果证实MIGS技术能够有效的进行作物病害防控，并具有广泛性和靶标特异性。

图3. MIGS介导的防控棉花黄萎病（A）和水稻病害（B）。

中国科学院微生物研究所硕士研究生温汉光和赵建华副研究员为论文共同第一作者，郭惠珊研究员和赵建华副研究员为论文共同通讯作者。中国科学院微生物研究所张杰研究员、颜永胜研究员、高峰副研究员、张博森博士和武雪明博士参加研究。该研究得到了国家自然基金委重点项目以及中国科学院先导A类专项支持。

【专家点评】

种康院士：小RNA（sRNA）介导的同源RNA干扰（RNAi）是动、植物和真菌中重要的基因调控机制。郭惠珊团队前期研究发现，植物sRNA能跨界进入病原真菌细胞，介导致病基因降解，证实了自然界中天然存在的植物到真菌的跨界RNAi。在此基础上，她们利用宿主诱导的基因沉默技术（Host-induced gene silencing，HIGS），进行了抗黄萎病RNAi棉花种质创新，培育的RNAi棉花表现出良好抗病性。近期，郭惠珊团队在Nature Plants杂志发表了新的研究成果，她们创建了全新的作物病害防控技术，MIGS技术（Microbe-induced gene silencing），即利用有益微生物哈茨木霉表达靶向病原真菌的sRNA，发现根际真菌种间RNAi；并开发了“sRNA抗菌剂”微生物制剂，有效抑制棉花和水稻的土传真菌病害。

多种作物缺少成熟遗传转化体系、且转化周期长。MIGS技术的创建，为发展不依赖作物遗传操作的真菌病害防控另辟了蹊径。利用真菌自身产生sRNA并能跨种传递的特点，开发以根际原位有益微生物作为“sRNA抗菌剂”天然载体的微生物制剂既环保又经济。这种新型靶向型RNAi生物制剂，将有效减少传统化学农药的使用，保障我国农业绿色持续发展。总之，郭惠珊团队这项研究成果揭示了真菌种间RNAi现象，不但开辟了微生物间互作研究的新领域，也为发展基于RNAi的绿色微生物制剂的变革性技术储备科学依据和应用基础。

周俭民研究员：在植物-微生物互作过程中，宿主植物通过改变自身基因表达调节宿主相关微生物组结构，招募有益微生物，或改善养分吸收和生长，或共同抵抗病原菌。木霉是一类被广泛使用的有益真菌，是一种真菌寄生菌，木霉通过多种方式直接或间接的帮助植物抵抗病原菌的侵染，例如外泌多种酶和次级代谢产物、与病原菌竞争生态位或者诱导植物免疫反应。

郭惠珊团队在Nature Plants发表的这项研究，巧妙的将大田中分离的哈茨木霉作为底盘菌株，通过表达靶向病原真菌生长发育相关基因的sRNA，达到抑制病原菌生长从而保护作物的目的。他们利用构建的可视化观察系统，证实真菌间存在种间RNAi现象；并创新性地创建了有益微生物诱导的种间RNAi（Microbe-induced gene silencing，MIGS）作物病害防护技术。郭惠珊团队这一研究成果表明，自然界不同真菌间很可能通过RNAi竞争生态位，具有重要理论意义；提出了利用有益微生物通过种间RNAi竞争病原微生物的新途径，开辟了种间RNAi研究新领域；利用微生物自行产生sRNA并能跨种传递发挥RNAi的作用，发展MIGS技术开发“sRNA抗菌剂”绿色微生物制剂，有望减少农业生产中化学农药的使用，践行了“发现微生物，改造微生物，应用微生物”的理念。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01507-9

来源：BioMed科技

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来源: qq

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