神奇 MIGS 技术：开启根际微生物RNAi 跨界之旅，为作物保护带来新希望

RNAi：基因沉默技术

RNAi（RNA interference）或基因沉默已被广泛认为是真核生物中调节基因表达的保守机制。由双链RNA（double-stranded RNAs，dsRNA）加工并加载到含有Argonaute（AGO）的沉默复合物上的小RNA（small RNA，sRNA）是RNAi 的关键介质。sRNA以序列特异性方式结合靶标，通过引导RNA切割、翻译抑制、DNA甲基化或染色质修饰实现对靶板基因的调控。

MIGS：微生物诱导基因沉默策略

最新的研究中，研究者提出了一种新的RNAi应用策略MIGS（microbe-induced gene silencing），该种方法利用sRNA作为生物杀菌剂，通过调控植物病原体的致病基因实现对宿主植物的保护。该项研究中，作者选用根际有益真菌哈茨木霉（Trichoderma harzianum）开发一种RNAi工程微生物。同时选取两种土传病原真菌大丽黄萎菌（Verticillium dahliae）和尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）作为RNAi受体。

MIGS 在大丽花中诱导 GFP 沉默

研究者利用GFP标记的V592（一种棉花大丽黄萎病菌V. dahliae）测试了 MIGS，以测试Th-GFPi中生成的siGFP（small interference Green Fluorescence Protein）是否能够介导大丽黄萎病中的GFP沉默。V592-GFP菌株与或不与Th或Th-GFPi在Czapek-dox液体培养基中共培养。通过共聚焦激光扫描显微镜可以观察到单独培养或与Th共培养的V592-GFP孢子有相似的绿色荧光强度（图1a），表明底盘不影响V592中GFP的表达。与Th共培养或单独培养相比，与^Th-GFPi-1或^Th-GFPi-2共培养的V592-GFP孢子的GFP荧光显着降低（图1a）。通过Northern blotting在^{V592-GFP/Th-GFPi-1}和^{V592-GFP/Th-GFPi-2}的共培养菌株中检测到丰富的siGFP，但在V592-GFP/Th、Th或V592-GFP中未检测到丰富的siGFP（图1b）。这些数据表明Th-GFPi菌株中GFPi衍生的 siGFP负责在共培养的V592-GFP中诱导GFP沉默。

图1：Th-GFPi产生的siGFPs在翻译水平上诱导V592-GFP中的GFP沉默^[1]。

MIGS策略的应用：在双子叶棉花和单子叶水稻中

研究者选取了尖孢镰刀菌PMT蛋白的同源物（V592致病菌含有）作为杀菌靶板，并设计了两种RNAi构建体：^Th-Pmt2i−1和^Th-Pmt2i−2。

将棉花种子播种到含有Th、V592、V592+Th或^{V592+Th-Pmt2i−1}的无菌土壤中。播种后35天或40天时，Th土壤中的棉花植株正常生长，与无菌土壤中的棉花植株相似（图2a）。 V592土壤中棉花植株表现出典型且严重的黄萎病（图2a），而^{V592+Th-Pmt2i−1}土壤中的棉花植株病情比V592土壤中的植株轻（图2a）。棉花植株在^{V592+Th-Pmt2i−1}土壤中发育良好，在播种后40天时仅观察到少数具有低病害等级的叶子（图2a，b）。这表明，在V592感染条件下，^Th-Pmt2i−1对棉花植株产生了理想的保护效果。

最后，作者研究了MIGS对作物保护免受尖孢镰刀菌（F. oxysporum）的影响。将两天的稻苗转移到含有Th、Fsu（水稻分离物）、Fsu+Th 或 ^{Fsu+Th-Pmt2iFo-1} 的土壤中。移栽28天后，Th 土中的水稻秧苗正常生长，与无菌土壤中的秧苗相似（图3d）。与Fsu+Th土壤相比，Fsu土壤中水稻的生长和存活受到明显限制，表明Th对水稻抗Fsu有一定的保护作用（图3d、e）。大多数水稻幼苗在 ^{Fsu+Th-Pmt2iFo-1}土壤中发育良好（图3d），这表明^Th-Pmt2iFo-1对水稻抗尖孢镰刀菌具有额外的保护作用。地上部高度和鲜重的定量数据与不同土壤组合中水稻的生长表型一致（图3e，f）。上述数据表明，工程化的^Th-Pmt2iFo比 Th具有更强的水稻抗尖孢镰刀菌保护能力。

图2:Th-Pmt2i-1有效保护棉花免受V592感染^[1]。

图3：Th-Pmt2iFo 抑制了尖孢镰刀菌的生长，并为水稻提供了抗Fsu保护^[1]。

结论

这项研究验证了根际真菌中的种间RNAi以及MIGS在作物保护中的应用潜力。此外，利用根际有益微生物的原位繁殖可以确保sRNA的稳定和可持续发挥作用，还可以避免引入额外的纳米材料、化学合成的sRNA等。研究结果表明，基于MIGS的生物杀菌剂可以在不改造宿主基因的前提下，为农作物保护提供简洁有效的策略。

参考文献：

1.       Wen HG, Zhao JH, Zhang BS, Gao F, Wu XM, Yan YS, Zhang J, Guo HS. Microbe-induced gene silencing boosts crop protection against soil-borne fungal pathogens. Nat Plants. 2023 Sep;9(9):1409-1418. doi: 10.1038/s41477-023-01507-9. Epub 2023 Aug 31. PMID: 37653339.