Nature子刊:层状纳米材料LDH对植物抗病毒用RNA干扰叶面喷剂的长效保护作用


【引言】

在全球气候变暖的大趋势下,农作物病毒的危害范围也随之扩大,严重威胁着世界粮食产量的安全线。现有的对抗措施除了农作物自身具备的基因抗性外,主要依靠农药喷洒和转基因技术,但是传统农药对环境破坏很大且效率低下,而对转基因技术的实际应用尚存在极大争议。RNA干扰技术在抗病毒方面有着成熟稳定的表现,并且安全环保。局部喷洒双链RNA作为替代转基因植物的方案已经在防治虫害方面获得了进展。我们由此对该技术在防治病害上的应用开展了研究。其中,保证RNA在日常环境下的稳定性是成功应用本技术的关键。因此本研究的重点集中在利用一种合成的层状粘土纳米材料(layered double hydroxide, LDH)来负载大分子量双链RNA作为抗病毒叶面喷剂,探讨LDH对RNA的保护作用,以及对比LDH-RNA和裸RNA在病毒抗性上的表现。

【成果简介】

2017年1月9日,澳大利亚昆士兰大学Neena Mitter博士和许志平教授 (共同通讯作者)在Nature Plants发表题为“Clay nanosheets for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses”的文章,以一种合成的层状粘土纳米材料(LDH)利用静电作用负载大分子量双链RNA,为其提供在日常环境下的持续保护,使其在作为农作物抗病毒叶面喷剂时有长期稳定的表现,同时可以显著降低使用成本。

图文导读

图1 层状LDH纳米材料的理化性质以及对RNA负载的饱和比例

a) 透射电镜照片;

b) 红外衍射图谱;

c) 不同质量比下的LDH对RNA的负载

图2 LDH分解/RNA释放实验以及RNA吸收/RNA干扰的启动

a) 在相对湿度95%,二氧化碳浓度5%条件下,LDH在离株独立培养的烟草叶面上的加速降解:通过ICP表征在第1、3、5、7天洗出叶面残留LDH溶解后的镁铝离子量观察叶面LDH的降解;

b) 对比CMV2b-dsRNA在5%二氧化碳环境下和日常环境下的释放:通过电泳图证明,高二氧化碳环境下,dsRNA的释放明显多于日常环境下的释放;

c) 不同物质处理过的12日龄苗的葡糖苷酸酶活性:结果可见,被GUS-dsRNA和GUS-dsRNA-LDH处理过的苗有着明显降低的GUS活性,说明由LDH负载的RNA同裸RNA一样可以被吸收并应用于RNA干扰过程。

图3 LDH-RNA的在叶面的附着力与稳定性

a-d) 喷洒24小时后,叶面受冲洗前后的共焦显微图像;

e) 经RNA酶处理后的LDH-RNA与裸RNA的电泳图:裸RNA基本被RNA酶降解,LDH-RNA中的RNA几乎没有被RNA酶降解;

f) 叶面经分别喷洒LDH-RNA与裸RNA,静置20天后的电泳图:裸RNA在20天后基本完全降解,LDH-RNA在20天后仍有大量残留。

图4 LDH-RNA的病毒抗性—局部损伤测试

a) CMV 病毒接种至双叶期豇豆;

b) PMMoV 病毒接种至烟草;

c,d) 经不同物质处理后5天、20天,再以PMMoV病毒感染的烟草叶面:20天后,裸RNA处理的叶面出现病害斑点,LDH-RNA处理的叶面仍然保持健康。

图5 LDH-RNA对病毒抗性的长期及系统有效性

a) LDH、裸RNA及LDH-RNA处理后呈CMV阳性的植物比例;

b,c) 水或LDH-RNA处理后,以CMV病毒感染未喷施药剂的新生叶片的ELISA结果

图6 LDH-RNA和裸RNA对病毒小干扰RNA表达的抑制

a) LDH-RNA和裸RNA施用时间及CMV接种时间的图像化描述;

b) 经LDH-RNA和裸RNA处理后,在CMV-RNA的各片段中,同病毒感染有关的含21,22和24个核苷酸碱基的小RNA数量被发现有明显的降低;

c) 各片段中含21,22和24个核苷酸碱基的小RNA数量的柱状图。

【小结】

继许志平教授于2009年报道LDH负载小分子量RNA的医学应用(引用文献32)后,本研究以合成的层状纳米材料LDH负载大分子量双链RNA,在纳米材料尚集中在医学领域应用的大环境下,于农用纳米材料领域取得了新的重大突破。本成果以纳米材料为载体,为RNA在日常环境下提供了长效可持续的保护作用以及触发性释放机理,并且不影响RNA的抗病毒表现;既规避了转基因植物的争议,也降低了RNA干扰技术在农业领域的应用成本。

文献链接Clay nanosheets for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses

许志平教授课题组链接http://www.nanomac.uq.edu.au/gordon-xu

本文由澳大利亚昆士兰大学生物工程与纳米技术研究所李鹏博士投稿,材料牛编辑晓fire编辑整理。

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