Mol Plant | 张江教授团队提出一种增强鳞翅目害虫RNAi效率的新策略

RNAi是一种靶向专一性强、绿色安全的防治害虫新技术。植物介导的RNAi在鞘翅目害虫（玉米根萤叶甲等）和鳞翅目害虫（棉铃虫等）中的应用都是在2007年被报道，但到目前为止关于鞘翅目害虫RNAi防治的产品已经有三项问世，而植物介导的RNAi技术在棉铃虫中的应用遇到了瓶颈。分析棉铃虫对RNAi不敏感的原因可能是棉铃虫中肠内存在丰富的dsRNase，且活性非常高，进入中肠的dsRNA分子会很快被中肠内的dsRNase迅速降解。即使进入中肠的dsRNA分子也会被内体捕获，无法进入棉铃虫内源的RNAi反应。为了提高RNAi分子向昆虫细胞的传递送效率，纳米材料、洗涤剂和聚合物等方法可以保护dsRNA或小干扰RNA（siRNA）分子免受酶降解，并促进其跨膜转运，已被用作载体以提高RNAi效率。然而，还没有生物体自身来源的，和植物（质体）介导RNAi可兼容的递送策略报道。

2024年6月4日，中国农科院深圳农业基因组所/湖北大学 张江 教授课题组在 Molecular Plant 上发表题为“ Plastid engineering with an efficient RNAi delivery system based on bacteriophage MS2 virus-like particles enhances plant resistance to cotton bollworm ”（基于噬菌体MS2病毒样颗粒的高效RNAi传递系统的质体工程增强了植物对棉铃虫的抗性）的研究论文，报道了一种新颖的RNAi传递系统，实现了细菌和质体介导RNAi对鳞翅目害虫的有效防控。为增强基于RNAi害虫防控效率提供了一种新策略。

噬菌体MS2是单链RNA病毒，由180个衣壳蛋白单体自组装而成二十面体，其直径为22-29 nm。噬菌体MS2的特异性组装是通过衣壳蛋白与特定的19 nt核苷酸序列（称为pac位点）的相互作用实现的。本研究中利用MS2保护RNA的特点与细胞穿透肽TAT融合（TAT，一种源自人类免疫缺陷病毒1（HIV-1）的调节蛋白），使得新形成的MS2-VLP一方面能够保护RNA分子免受棉铃虫中肠液的降解，另一方面使得RNA分子可以快速进入棉铃虫细胞。

首先，该研究利用大肠杆菌系统验证MS2-VLP能否有效递送RNA分子增强RNAi对棉铃虫的抗性。结果发现改造后的MS2-VLP成功在大肠杆菌内形成了病毒样颗粒，将病毒样颗粒的粗提物与棉铃虫中肠液孵育，两个小时后只有MS2-VLP保护的amiR Ace1 （靶向棉铃虫 Ace1 基因的人工微小RNA）没有被降解，同时纯化后的MS2-VLP转染sf9细胞系发现改造后的MS2-VLP能够进入细胞内。随后利用大肠杆菌系统表达MS2-VLP递送的amiR Ace1 ，hp Ace1 （靶向棉铃虫Ace1基因的发卡RNA）饲喂棉铃虫，MS2-amiR Ace1 /MS2-hp Ace1 均引起了棉铃虫Ha Ace1 的基因显著性下调，体重下降（图1）。类似的，研究人员也证实了该MS2-VLP递送系统在提高斜纹夜蛾RNAi反应中同样有效。

进一步，利用质体工程表达系统的独特优势，通过质体转化获得了质体表达的MS2-VLP转基因株系，分析质体内积累的amiR Ace1 含量，发现质体转化植物Nt-MS2-amiR Ace1 内积累了更多的amiR Ace1 ，质体转化植物可以引起棉铃虫显著性Ha Ace1 基因的下调，体重下降，蛹重的变化以及羽化失败（图1）。

因此，本研究通过大肠杆菌和质体表达系统表达MS2-VLP包裹的RNAi分子（amiRNA, hpRNA）被棉铃虫取食后，MS2-amiRNA进入棉铃虫中肠。由于噬菌体包裹RNAi分子有效防止了棉铃虫中肠中dsRNase的降解，增强了MS2-amiRNA在棉铃虫中肠内稳定性，通过MS2-VLP表面展示穿透肽TAT进入棉铃虫细胞内，引起棉铃虫体内的RNAi反应，影响棉铃虫的生长发育（图2）。

湖北大学 姜春妹 讲师为论文第一作者， 张江 教授和湖北大学 常玲 教授为该研究的共同通讯作者。德国马普所 Ralph Bock 和 David G. Heckel 教授对本研究提供了大力帮助。本研究工作获得国家自然科学基金,国家重点研发计划等项目的资助。