中国农业大学：自组装多组分纳米生物保护剂对马铃薯晚疫病进行高效绿色治理

世界农化网中文网报道：晚疫病是由卵菌致病疫霉菌引起的，是全球马铃薯经济损失最大的病害，曾引发19世纪中叶的爱尔兰饥荒，至今每年造成的经济损失仍超过60亿美元。以中国为例，据中国农业农村部统计，马铃薯晚疫病发病率高达50.91%，年产量损失在12.56至583.10千吨之间。2012年马铃薯晚疫病大规模爆发，感染总面积达到265万公顷。马铃薯生产几乎完全依赖化学措施来控制晚疫病。然而，合成农药的频繁使用引发了环境、健康和安全问题。因此，应开发替代性绿色技术，以降低毒性、提高靶向性和环境可持续性。RNA干扰（RNAi）是一种由双链RNA（dsRNA）介导的保守调控机制，可以沉默或抑制靶基因的表达。可以直接向农作物喷洒针对植物病原体关键基因的dsRNA（喷雾诱导基因沉默，SIGS）以诱导特异性沉默，从而为实现可持续的生态友好型疾病管理提供了机会。

尽管灰葡萄孢等真菌可以有效地从环境中吸收 dsRNA，但致病疫霉却不容易吸收环境中的 dsRNA，这可能是由于其细胞壁的特性。在卵菌中，外源RNA的摄取效率低是鉴定基因功能和RNA杀菌剂应用的关键障碍。因此，SIGS 策略需要可靠的载体来打破致病疫霉的 dsRNA 递送瓶颈。具有良好生物相容性的纳米颗粒可以促进外源物质的转运，并已广泛应用于癌症治疗。之前研究表明，纳米载体可以加速内吞作用，促进 dsRNA 跨细胞膜易位，从而实现有效的细胞摄取。我们之前构建了一种简便合成的星型聚阳离子（SPc）作为低成本的 dsRNA 纳米载体，具有高细胞内递送效率、良好的生物相容性和生物降解性。SPc纳米载体由疏水核和亲水壳组成，侧链带有带正电的叔胺。疏水核可用于组装疏水性活性成分，叔胺可通过静电吸附与带负电的核酸结合。

本研究基于dsRNA和植物诱导剂设计了一种用于马铃薯晚疫病管理的自组装多组分纳米保护剂。纳米技术克服了致病疫霉菌的dsRNA传递瓶颈，并延长了RNAi保护窗口。纳米dsRNA对感染的保护作用源于一种协同机制，该机制增强了dsRNA的稳定性并优化了其有效的细胞内传递。此外，纳米诱导剂增强了内吞作用并增强了植物的系统防御反应。双链RNA和诱导剂的共同递送通过抑制病原体和增强植物防御机制两个方面提供保护作用。与田间条件下的商业合成农药相比，多组分纳米生物保护剂表现出优异的控制效果。这项研究提出了一种管理毁灭性植物病虫害的环保策略。

图1. SPc 负载的dsRNA对叶片的增强输送效率和保护作用。a SPc促进P. infestans孢子囊对荧光标记的dseGFP的吸收。将5 μL d seGFP（500 ng/μL）和dseGFP/SPc复合物分别添加到P. infestans孢子囊和菌丝（12 d）（105孢子囊/mL）中，并在孵育12小时后测量荧光强度。b、c SPc促进洗涤后马铃薯叶片对荧光 dseGFP 的吸收（荧光素作为对照）。c 在施用后12小时测量荧光强度。d SPc促进了N. benthamiana根和叶对荧光标记的 dseGFP 的吸收。轮廓图（右）表明，大多数绿色荧光（白线）出现在 dseGFP/SPc 复合物处理的样品中。e、f SPc提高了表达 tdTomato 荧光蛋白的 P. infestans 转化体中 tdTomato 基因的 RNAi 效率。显示了代表性孢子囊的放大图像。分别使用5 μL d stdTomato（500 ng/μL）和 dstdTomato/SPc 复合物来处理 5 μL tdT-88069孢子囊悬浮液（105 个孢子囊/mL）。处理后12 小时检查荧光强度和基因表达。轮廓图（右）显示大部分红色荧光（白线）。基因表达 (f) 代表与非沉默对照的比较。g、h SPc 负载的 dsRNA 对马铃薯叶片的增强保护作用。g 用各种配方（dsRNA 浓度：500 ng/μL）喷洒分离的马铃薯叶片，24 小时后将孢子囊悬浮液接种到植物叶片上。以 2、5 和 15 dpi 拍摄图片，然后 (h) 测量病变面积。

图2. 纤维二糖/SPc/dsRNA复合物的自组装机制。a自组装纤维二糖/SPc/dsRNA复合物的示意图。b、b-1将dseGFP 溶液（0.67 ×10⁻⁶ mol/L）ITC滴定到纤维二糖/复合物（1.4 × 10⁻⁶ mol/L）中。c–h纤维二糖、纤维二糖/SPc复合物和纤维二糖/SPc/dseGFP 复合物的 TEM 图像（c–e）和粒度分布（f–h）。

图3. 多组分纳米生物保护剂对温室和田间条件下盆栽植物的保护作用更强。a–c 多组分纳米生物保护剂对盆栽整株植物表现出更强的保护作用。将各种配方喷洒到整株植物上（ddH₂O 用作对照），然后在24小时后将孢子囊悬浮液喷洒到植物叶片上。a 以 6 dpi 拍摄代表性照片，然后量化(b)病害指数和(c)相对生物量。多组分纳米生物保护剂在田间条件下对马铃薯晚疫病的防治效果。d 在发现晚疫病初始症状后的第 7、14、19、21、23、25 和 29 天计算病情指数。e 在第 29 天计算每种处理的保护效果，并通过单因素方差分析和 Tukey 的 H S D 多重比较事后检验进行分析。f 在 29 天后计算 AUPDC 值。每种处理的田间试验包括三个随机重复地块。g在第 29 天拍摄了代表性照片。

文章来源：Wang Y, Li M, Ying J, et al. High-efficiency green management of potato late blight by a self-assembled multicomponent nano-bioprotectant[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 5622.