近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室张江教授团队的最新研究成果“Control of a sap-sucking insect pest by plastid-mediated RNA interference”发表在国际权威植物科学期刊《Molecular Plant》上（图1）。该研究首次证实一些刺吸式害虫能够取食获得植物质体表达的内源（mRNA）及外源（dsRNA）核酸组分，实现了质体介导RNAi对农业害虫桃蚜的有效防控，并且发现桃蚜存在一种灵活的避毒机制。
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在世界范围内，刺吸式害虫的活动往往导致大规模的粮食减产及品质劣化，对全球粮食安全构成严重威胁。桃蚜（Myzus persicae，蚜科，半翅目）是一种常见的刺吸式害虫，其寄主植物分属于40余科，多达400余种，包括桃、李、马铃薯、油菜等重要的农林经济作物。在气候适宜的条件下，桃蚜营孤雌生殖，可以短时间内快速扩大种群规模。在春夏之交或者生境不利的情况下，种群内还可以产生有翅蚜，通过迁飞改善自身生境条件，扩大为害范围。桃蚜在吸取宿主植物韧皮部汁液、夺取植物养分的同时，还会传播大量植物病毒，引发严重的植物病毒病，其中包括马铃薯Y病毒（PVY）、马铃薯卷叶病毒（PLRV）等。桃蚜排泄的蜜露还会引发煤污病，降低植物光合作用效率，劣化农产品品质。植物质体介导RNAi是一种依赖于基因序列特异性的害虫防控策略，通过下调害虫体内靶标基因mRNA的表达水平，其可以有效阻碍害虫的生长发育，进而达到害虫防治的目的。已有研究证明质体介导RNAi可以有效防治马铃薯甲虫等咀嚼式害虫（Zhang et al., 2015; Science）和西花蓟马等锉吸式害虫（Wu et al., 2022; PNAS），而其能否用于刺吸式害虫的防治目前还不明确。
本研究中，作者首先通过qRT-PCR技术证实了在烟粉虱（Bemisia tabaci）、褐飞虱（Nilaparvata lugens）、豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）、禾谷缢管蚜（Rhopalosiphum padi）、桃蚜（M. persicae）和中黑盲蝽（Adelphocoris suturalis）这六种刺吸式害虫能够获取到质体的核酸组分，但取食量存在差异。基于此，作者选取了取食能力适中的桃蚜作为后续深入的研究对象。通过dsRNA人工饲料饲喂法，作者筛选获得了桃蚜RNAi靶标致死基因MpDhc64C（编码动力蛋白dynein重链），并获得了相应的dsRNA质体和细胞核转化烟草植物。作者发现在整株植物水平上，dsRNA质体转化植物对桃蚜抗性与核转化植物中表达量最高的株系的抗性水平相当。通过分析质体转化植物上桃蚜在不同叶片上的分布发现，桃蚜在dsRNA积累水平相对较高的成熟叶片上的分布更少。当限制桃蚜移动让其仅能为害植物成熟叶片时，质体转化植物对桃蚜抗性水平上显著强于核转化植物，相对于核转化植物，质体转化植物长势更快、针对桃蚜靶标基因的下调水平更低、桃蚜种群规模更小。进一步作者还发现当桃蚜食物中含有有毒RNAi分子时，桃蚜会通过自身迁移行为来回避RNAi分子的毒害作用；通过刺探点位图谱技术，作者发现桃蚜在核转化与质体转化植物上E2波（代表桃蚜被动吸食韧皮部汁液）的持续时间显著缩短；在质体转化植物上np波（代表桃蚜没有进行口针刺探活动）的持续时间显著增长，pd波（代表桃蚜在进行植物胞内取食行为）的持续时间则显著缩短；在核转化植物上C波（代表桃蚜口针正在进行刺探过程）和pd波的持续时间则显著增长（图5）。上述结果表明桃蚜还可以通过灵活的口器刺探行为来回避RNAi分子给自身带来的毒害作用。
综上，该研究证实了一些刺吸式害虫能够取食获得植物质体核酸组分，在此基础上以桃蚜为例首次实现了质体介导RNAi对刺吸式害虫的有效防控，扩展了质体介导RNAi技术在抗虫领域的潜在应用范围。桃蚜回避RNAi分子的行为机理解析则为后续RNAi防控桃蚜及类似害虫提供了明确的基于RNAi抗虫的策略优化方向。
湖北大学生命科学学院讲师董毅为该论文第一作者，张江教授为该论文通讯作者，湖北大学为第一单位。张江教授团队一直从事质体工程与植物保护前沿生物技术的基础理论和应用开发研究，近年来在Science、 Mol Plant、 PNAS、Microbiome、Trends Biotechnol、Plant Biotechnol J、Plant Cell Environ、J Exp Bot和Pest Manag Sci等期刊发表论文30余篇。课题获得了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金创新群体及洪山实验室等项目的支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205222001563
图2 桃蚜取食dsRNA核转化与质体转植物的模式图
