中国农业大学植保学院沈杰、闫硕团队在纳米递送RNA防控作物病害机制领域取得新进展

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文章导读

面对灰霉病反复爆发，你还在依赖化学农药？中国农大最新研究发现，一种基于星形阳离子聚合物SPc的纳米递送RNA农药，对黄瓜和番茄的防效分别达到90.8%和87%，与商业化杀菌剂相当。但让作物健康的不是RNA本身，而是SPc如何让真菌细胞‘主动’吸收药物——它同时激活了内吞作用和跨膜转运两条路径，并让它们协同工作。更关键的是，当一条路径被抑制时，另一条会自动补偿，这意味着RNA农药可能比想象中更聪明、更难产生抗药性。

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近日，植物保护学院沈杰、闫硕教授团队在国际学术期刊Plant Biotechnology Journal发表研究论文Interactional endocytosis and transmembrane transport promote cellular internalization of nano-delivered RNA drugs for efficient control of crop diseases。该研究构建了一种基于星形阳离子聚合物SPc的dsRNA纳米递送平台，系统解析了纳米递送RNA药物在植物真菌细胞中的内化过程及其分子机制，为RNA农药的高效递送和作物病害绿色防控提供了新思路。

灰霉病菌（Botrytis cinerea）是一种重要植物病原真菌，可侵染多种经济作物，严重影响作物产量和品质。dsRNA诱导的基因沉默技术为作物病害绿色防控提供了新策略，但外源dsRNA在病原菌细胞中的稳定递送和高效内化仍是限制其应用的重要瓶颈。因此，开发高效、安全的RNA递送体系并阐明其细胞摄取机制对推动RNA农药研发与应用具有重要意义。团队研究结果表明，SPc通过增强dsRNA在菌丝表面的黏附性，降低dsRNA与菌丝细胞表面之间的静电斥力，使菌丝对外源dsRNA的摄取效率提高了约1.18倍（图1）。

图1 SPc提升菌丝吸收dsRNA的效率

研究结果表明，SPc主要通过激活内吞作用相关基因（如pkc、ypt10、pil1）和跨膜转运相关基因（如mfs1、mfs2、mfs3、mfs4），促进dsRNA的细胞内化（图2），其主要运输途径的示意图见图3。与裸dsRNA相比，在SPc的辅助下，菌丝细胞内囊泡的数量和面积均显著增加，直接跨膜吸收的粒子数量也明显提高，表明内吞作用与跨膜转运共同参与并促进了纳米递送RNA药物的细胞摄取过程。

图2 菌丝细胞内化dsRNA的分子途径和过程

图3 主要运输相关途径的示意图

通过RNA干扰、化学抑制剂处理及突变体实验，进一步证实内吞作用与跨膜转运并非彼此独立，而是协同配合，共同优化纳米递送dsRNA的细胞摄取效率，从而增强RNA药物对病原菌靶基因的沉默效果。具体而言，内吞与跨膜转运在时间上存在差异，持续RNAi处理后，若抑制其中一条途径，另一条途径在短时间内也会受到抑制，但随着时间推移，基因表达水平会有所回升。化学抑制剂实验和突变体实验也进一步支持这一结果，当内吞途径被抑制时，跨膜转运途径中的大部分基因会被激活，以维持真菌细胞正常的摄取水平（图4和图5）。

图4 SPc通过激活内吞作用和跨膜转运途径促进菌丝细胞内化dsRNA

图5 内吞作用与跨膜转运协同调控菌丝细胞内化dsRNA过程

基于上述机制，该研究进一步开发了高效RNA杀菌剂。在黄瓜叶片和番茄果实的保护实验中，该杀菌剂对灰霉病表现出良好的防控效果，6天内的防效分别达到90.8%和87%，与商业化杀菌剂效果相当，显示出较好的应用潜力（图6）。

图6 SPc递送体系的润湿性能及其对叶片和果实的保护效果

本研究揭示了纳米载体介导RNA药物递送过程中内吞作用与跨膜转运的协同机制，明确了影响dsRNA细胞内化的关键调控因子，为RNA农药的科学设计和作物病害绿色防控提供了重要参考。植保学院博士研究生关梅为论文第一作者，沈杰、闫硕教授为通讯作者。植保学院博士研究生谢超、薛洋、蒋沁宏，已出站博士后芦娟，以及北京化工大学尹梅贞教授也参与了该项工作。本研究得到了农林生物安全国家重点实验室联合研究计划（SKLJRP2506）、国家重点研发计划（2023YFD1700304、2024YFC2607600）、中国农业大学“2115”人才培育发展支持计划以及中国农业大学研究生自主创新研究基金项目（2024TC180）等项目资助。