近日，Advanced Functional Materials期刊在线发表了我院刘西莉教授团队题为“Functionalized carbon dot-delivered RNA nano fungicides as a superior tool to control Phytophthora pathogens through plant RdRP1 mediated spray-induced gene silencing”的研究论文，在核酸农药开发应用及喷施诱导的基因沉默（Spray-induced gene silencing, SIGS）机制解析方面取得新进展。

由疫霉属植物病原卵菌导致的多种作物疫病严重危害农业生产，杀菌剂的使用依然是目前疫病防控的主要手段之一。但当前可供选择的卵菌抑制剂种类相对较少，且单一作用位点药剂的长期使用容易导致植物病原卵菌产生抗药性问题，因此生产中迫切需要创建绿色安全、高效协同的作物疫病防控新策略。

喷施诱导的基因沉默（SIGS）是基于RNA干扰（RNAi）的新型植物保护方法，已被报道对部分植物病原真菌具有较好的防治效果，但其发挥活性的分子机制尚不明确。已有研究发现，双链RNA（double-stranded RNA, dsRNA）在不同病原菌—植物互作系统中被吸收、加工和利用的效率存在明显的分化，因而导致其对不同的真菌或卵菌病害防治效果可能具有较大差异。其中，疫霉对dsRNA的吸收效率显著低于灰葡萄孢菌、核盘菌、立枯丝核菌和大丽轮枝菌等大多数病原真菌。而且，疫霉体内可通过基因沉默来有效抑制病原菌生长发育和侵染致病的靶标基因尚不明确，这些因素极大制约了SIGS在作物疫病防治上的应用。

刘西莉教授团队长期从事杀菌剂分子靶标的相关研究。此前研究发现靶向卵菌保守的羧酸酰胺类（CAAs）杀菌剂靶标蛋白纤维素合酶3（CesA3）和氟噻唑吡乙酮的靶标氧化固醇结合蛋白1（OSBP1）的寄主诱导基因沉默（HIGS）可以显著增强植物对辣椒疫霉的抗病性，且抗性水平与HIGS介体被寄主植物DCL3/DCL4加工形成的21-24 nt 小RNA（small RNA, sRNA）的丰度呈正相关（Host-induced gene silencing of PcCesA3 and PcOSBP1 confers resistance to Phytophthora capsici in Nicotiana benthamiana through NbDCL3 and NbDCL4 processed small interfering RNAs. International Journal of Biological Macromolecules, 2022）。在此基础上，本研究进一步筛选获得可靶向疫霉菌CesA3和OSBP1关键区域的CesA3-/OSBP1-dsRNAs，将其直接喷施于离体叶片或辣椒幼苗根茎部后能有效防治辣椒疫霉侵染。为进一步提高SIGS效率，本研究制备了聚乙二醇异丙烯酸酯（PEGDA）功能化的碳点纳米颗粒（CDs），其可以通过静电结合等作用力高效装载前期筛选获得的dsRNA，从而形成dsRNA-CDs复合物。

活性测定发现核酸农药CesA3-/OSBP1-dsRNA-CDs对辣椒疫霉、致病疫霉和大豆疫霉引起的多种重要疫病均表现出良好的防治活性。与化学杀菌剂烯酰吗啉和氟噻唑吡乙酮相比，核酸农药可有效抑制抗药性菌株的侵染。同时，将相同靶标的化学杀菌剂与dsRNA-CDs协同使用，在保证相同防效的基础上可以将化学药剂的使用量降低90%。以上研究表明，本研究开发的核酸农药dsRNA-CDs兼有作物疫病防治和抗性治理的作用，对化学农药的减量增效具有重要意义。

同时，本研究从延长持效期、增强抗光解能力及缓解高温的影响这三个方面进一步明确了CDs对于dsRNA的保护和增效作用，并发现CDs可以通过网格蛋白介导的内吞作用高效促进dsRNA在植物和疫霉细胞的内化吸收。CDs对dsRNA的协同增效作用主要基于其能够中和dsRNA携带的负电荷，加剧dsRNA的折叠团聚，从而促进dsRNA在植物细胞中的吸收及释放，进而激发dsRNA相关sRNA在植物细胞的大量产生，最终显著提高防病效果。

进一步研究发现，SIGS与HIGS在发挥防病作用机制方面存在明显差异。在SIGS中dsRNA主要通过植物RdRP1进行加工形成20-30 nt的sRNA以发挥其跨界基因沉默的功能。有趣的是，SIGS形成的sRNA仅显著抑制靶标基因的翻译，并不像HIGS介体相关sRNA一样可直接导致疫霉体内对应靶标基因的转录本数量发生变化。本研究表明SIGS介体主要通过植物RNAi系统形成多种长度的sRNA，这些小分子跨界进入疫霉体内后诱导翻译水平的基因沉默。

综上，本研究基于高效的碳点纳米递送系统，建立了靶向疫霉关键基因的核酸农药体系，可同时防控多种植物疫病并可有效治理疫霉抗药性。研究结果为植物病害的绿色防控提供了新的途径，也为农业和医药领域RNA药剂的有效递送提供了安全可行的新方法。同时，明确CDs对于dsRNA的增效机理及SIGS发挥活性的分子机制将为进一步提升核酸农药的生物活性提供理论指导，也为CDs介导的SIGS应用于更多植物病害绿色防控奠定理论基础。

我院博士后王治文为第一作者，刘西莉教授为通讯作者，已毕业研究生李瑜和高翔，在读研究生张博瑞、师梦茹、张思聪、钟珊和郑漾参与了该工作。研究受到国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划和旱区作物逆境生物学国家重点实验室开放课题支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202213143