基于RNA干扰（RNAI）的策略以及纳米材料介导的递送方式，用于油菜根肿病的绿色防治

《Journal of Advanced Research》：RNAI-based strategies and nanomaterial-mediated delivery for green control of clubroot disease in rapeseed

甘蓝根肿线虫（P. brassicae）威胁十字花科作物，本研究通过RNAi技术沉默其关键酶基因PbPK1，并利用纳米颗粒（MSNs）递送dsRNA至油菜根部。结果表明，HIGS转基因拟南芥和油菜显著降低病原体生物量及疾病指数，纳米递送系统在实验室和田间均有效，且未对植物生长及环境生物造成危害。该研究为可持续的根肿病防控提供了新策略。

　　### 研究背景与意义

全球范围内，十字花科植物面临着由**Plasmodiophora brassicae**（简称Pb）引起的**根肿病**（Clubroot）威胁。这种疾病是由一种专性寄生的原生生物引起的，能够显著影响作物的产量和经济价值。据研究显示，根肿病已在全球80多个国家被发现，导致作物减产10%至100%。传统方法如化学杀菌剂虽然在一定程度上可以控制该病害，但它们可能对生态环境和人类健康造成潜在风险，且在高病害压力下效果减弱。因此，寻找更加环保、高效的根肿病控制方法显得尤为迫切。

近年来，**RNA干扰（RNAi）**作为一种基因调控机制，已经被广泛应用于植物病害防控研究中。RNAi技术通过在植物体内表达特定的RNAi载体，生成小干扰RNA（siRNA），进而沉默病原体的特定基因，提高植物的抗病能力。然而，目前RNAi技术在根肿病防控方面的应用尚处于初步探索阶段。本研究旨在评估RNAi策略在油菜（Brassica napus）中对Pb感染的控制效果，并进一步探讨纳米材料介导的dsRNA递送技术在提高油菜抗病能力中的应用潜力。

### 研究目标与方法

本研究的主要目标是评估RNAi技术在油菜中对Pb感染的防控效果，并探索纳米材料在dsRNA递送中的作用。为了实现这一目标，研究团队首先从Pb的基因组和转录组数据中鉴定了两个与糖酵解相关的**丙酮酸激酶基因**（PbPK1和PbPK2）。随后，通过荧光标记实验验证了Pb对外源dsRNA的吸收能力。为了进一步评估这些基因在抗病中的作用，研究团队构建了针对PbPK1和PbPK2的RNAi转基因拟南芥和油菜株系，并通过小RNA测序确认了siRNA的生成。此外，研究团队还利用**介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）**作为dsRNA的载体，将dsRNA递送至油菜根部，并在盆栽和田间试验中评估其防控效果。同时，进行了安全性评估和脱靶效应分析，以确保该技术在实际应用中的可行性。

### 研究结果

实验结果显示，当Pb感染转基因植物时，PbPK1和PbPK2基因的表达被显著抑制，其中PbPK1的沉默效率高达41%-56%。在转基因拟南芥和油菜株系中，针对PbPK1的RNAi显著降低了根肿病的病害指数，抑制了病原体的生物量积累，并干扰了病原体的发育过程。然而，针对PbPK2的RNAi则未表现出明显的抗病效果。此外，通过将dsRNA与MSNs结合并递送至油菜根部，PbPK1-dsRNA-MSNs复合物在盆栽和田间试验中均表现出显著的抗病效果，包括减少病害症状、降低病原体的致病性以及提高油菜的抗病能力。而PbPK2-dsRNA-MSNs复合物则未表现出类似的防控效果。

安全性评估结果显示，PbPK1-dsRNA和MSNs对油菜种子的发芽率和根系生长没有负面影响，也不会对非靶标生物如蚯蚓和斑马鱼造成危害。此外，脱靶效应分析表明，PbPK1-dsRNA对油菜、油菜菌和假单胞菌等非靶标生物的基因表达没有显著影响，进一步验证了该技术的特异性和安全性。

### 研究结论与展望

综上所述，本研究证实了RNAi技术在油菜中对根肿病的防控潜力。无论是通过HIGS技术还是纳米材料介导的dsRNA递送，均能有效降低病原体的活性，提高植物的抗病能力。其中，PbPK1作为关键的糖酵解酶，显示出作为RNAi靶标的优势。这一发现不仅为根肿病的可持续防控提供了新的遗传工具，也为抗病作物的培育提供了新的思路。

未来的研究方向可以包括利用高通量测序技术和生物信息学分析，进一步识别更多与病原体感染、繁殖和代谢相关的核心基因，从而开发更高效的RNAi控制策略。此外，为了提高RNAi的抑制效率，可以结合转录组数据，设计针对不同转录本的多组dsRNA片段，实现更全面的基因沉默。同时，考虑到病原体基因的变异性和功能冗余性，建议采用多靶标控制策略，例如同时沉默PbPK1和病原体的毒力因子，以干扰多个与病害发生相关的途径。这一研究为植物病害的绿色防控提供了重要的理论依据和技术支持。