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Nature plants丨纳米粘土颗粒介导的RNAi抵御植物病毒侵袭
at :2017/1/16 15:14:41    

2017年1月9日,澳大利亚昆士兰大学昆士兰农业与食品创新联盟Neena Mitter和昆士兰大学生物工程与纳米技术研究所Zhi Ping Xu教授报道了一种新型纳米粘土颗粒材料介导的RNAi可持续抵御植物病毒感染的研究,结果发表在Nature plants杂志上。研究人员研发了一种经过层状双氢氧化物(layered double hydroxide,LDH)修饰的新型纳米粘土颗粒(clay nanoparticles)材料,该生物材料可以作为将大片段双链RNA(dsRNA)导入植物细胞内的介质,使农作物本身持续生成小干扰RNA(siRNA),抵御病毒感染。原文题为:“Clay nanosheets for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses”。


     
                            dsRNA-LDH(BioClay)防护植物抵御病毒

 

在全球范围内,由于植物病毒病害或其他病原体的影响,农作物每年都会减产30-40%,造成了特别严重的经济损失。由于耐药性原因,很多杀虫剂和杀菌剂喷剂对植物病毒病的防治效果不理想。近年来RNA干扰(RNA interference,RNAi)技术开始应用于植物病毒病害的防治。RNAi广泛存在于真核生物中,由siRNA介导并以序列特异性的方式调控目的基因的表达,在表观遗传、防御转座子和防御病毒入侵等很多方面发挥作用。

RNAi的机制已经研究的非常清楚,首先,dsRNA被RNAse Ⅲ家族的酶切割成具有21~23nt 的由正义和反义序列组成的siRNA,siRNA与一些酶和相关因子共同组成RNA介导的沉默复合体( RISC),并引导 RISC 对与其同源的目标RNA 进行降解。植物抗病毒过程是RNAi介导的病毒RNA与所转病毒基因的mRNA均被降解的过程。
 

RNAi技术用于植物病毒的防护也存在不足,dsRNA不稳定,受外界环境影响明显,容易被RNA酶降解,使得抗病毒效果难以持久,只能维持5-7天。本研究则解决了这一难题。研究人员研制了一种新型的生物材料-经过层状双氢氧化物(LDH)修饰的粘土纳米颗粒(clay nanoparticles)作为dsRNA的载体。dsRNA可以和LDH形成稳定的dsRNA-LDH复合物(BioClay)。接下来,研究人员分别评估了dsRNA-LDH的稳定性、吸收效率、RNAi效率、抗病毒效果以及安全性。通过对实验结果进行分析总结,该新型技术手段有以下几种优点:(1)LDH可以结合大片段dsRNA形成dsRNA-LDH复合物;(2)以dsRNA-LDH复合物形式存在的dsRNA不易被核酸酶降解,喷洒到叶片表面30天仍可以被检测到;(3)在外界环境中,dsRNA可以持续释放到叶片表面,抗病毒时间更持久,可以达到30天;(4)LDH经过一段时间可以完全降解,对环境无影响;(5)最为重要的是,即使只喷洒一次,在20天后新生的未经喷洒的叶片也可以通过RNAi途径发挥抗病毒效果。

 

迄今为止,只有极少数文章报道了通过植物根系和花蕾途径使用dsRNA的研究成果。由于dsRNA没有理想的介质作为载体,很容易被核酸酶降解,导致药效不持久。本研究可以说在这方面取得了突破。经过LDH修饰的黏土纳米颗粒可以和大片段dsRNA形成复合物,牢固吸附于叶片表面,之后随着LDH的缓慢降解,dsRNA逐渐释放并进入植物体内,有效延长了抗病毒作用的时间(可以从5-7天延长到20天)。该研究解决了植物病毒病害领域防治的难题,有望改变农作物传统防护的方式,可大大减少杀虫剂和杀菌剂对环境的污染。在文章最后,作者还对该技术的应用前景进行了描绘,他们认为未来可以针对不同病毒设计dsRNA,合成BioClay,靶向进入传播病毒的昆虫体内,阻断病毒的传播。


 

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