文章梗概

近日，真邁生物合作單位國家納米科學(xué)中心曹宇虹研究員團(tuán)隊(duì)在Nano Letters（IF9.6,JCR Q1）上發(fā)表了題為“Improving Seed Shattering Resistance in Wild O. alta?Rice with?Mesoporous Silica Nanoparticle Delivery Systems”的研究成果。該研究通過介孔二氧化硅納米顆粒遞送系統(tǒng)（MSNs）對四倍體野生稻（Oryza alta）的落粒性進(jìn)行改良?；谡孢~生物SURFSeq 5000高通量測序平臺的轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)分析了落粒相關(guān)基因沉默后細(xì)胞壁和纖維素合成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄組水平變化，發(fā)現(xiàn)落粒相關(guān)基因SH02表達(dá)下調(diào)，木質(zhì)素沉積相關(guān)基因CAD2、CCR19、PAL1、COMT表達(dá)上調(diào)，差異基因的GO富集與細(xì)胞壁的定位和纖維素的合成相關(guān)。通過進(jìn)一步的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了落粒相關(guān)基因的沉默顯著減少了水稻籽粒與小穗之間的離層形成，增強(qiáng)了小穗的抗拉強(qiáng)度。本研究證實(shí)MSN-siRNA遞送系統(tǒng)是一種靈活、有效的作物性狀改良方法，為實(shí)踐可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一個有前景的工具。

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背景介紹

人口的增長、全球氣候變化對糧食的產(chǎn)量和安全構(gòu)成重大威脅，迫切需要可持續(xù)農(nóng)業(yè)。水稻(Oryza sativa?L.)是全球約一半人口的主要糧食作物，尤其容易受到這些挑戰(zhàn)的影響。四倍體野生稻（Oryza?alta）擁有諸多優(yōu)點(diǎn)（較高的株高和干重、對非生物和生物脅迫的抗性強(qiáng)），但種子成熟后易脫落，影響產(chǎn)量。納米技術(shù)在農(nóng)作物的改良中進(jìn)行了一系列的嘗試：增強(qiáng)作物對鹽和干旱的抗性，改善羧基化反應(yīng)和二氧化碳吸收，減輕重金屬毒性等。因此，研究團(tuán)隊(duì)首先通過介孔二氧化硅納米顆粒噴灑葉片將影響葉綠素合成的兩個基因的siRNA靶向到野生稻，改變?nèi)~片的顏色，證明它們具有短暫的基因沉默能力。其次，通過介孔二氧化硅納米顆粒將影響落粒四個基因的siRNA遞送到野生稻的花穗，證明它們可以增加木質(zhì)素的合成，改善落粒性狀。

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*以下為該研究成果解讀

結(jié)果概要

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1．?PDS、Ruby基因沉默影響葉片顏色

為了評估MSN的siRNA傳遞效率，研究人員以野生稻中的植物烯去飽和酶（PDS）和轉(zhuǎn)基因野生稻中的Ruby基因?yàn)檠芯繉ο蟆Ｈ~面噴施MSN-siRNA復(fù)合物可有效傳遞siRNA，導(dǎo)致PDS基因沉默達(dá)70%，Ruby基因沉默達(dá)75%。上述實(shí)驗(yàn)說明MSN-siRNA遞送系統(tǒng)可以用于作物的靶向遺傳干預(yù)，證明其在沉默內(nèi)源和轉(zhuǎn)基因基因方面的有效性。

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2.SH02基因沉默改善落粒性

通過序列比對，研究團(tuán)隊(duì)在野生稻中發(fā)現(xiàn)了4個落?；?/span>(SH01-SH04)，針對每條序列合成siRNAs，并將其與MSN共孵育，然后將其遞送到水稻穗中。在4個落粒相關(guān)基因被沉默后，Q-PCR的結(jié)果顯示SH01、SH02、SH03和SH04都顯著下調(diào)，木質(zhì)素生物合成基因相關(guān)CAD2和CCR19顯著上調(diào)。為了進(jìn)一步確定落粒基因siRNA的特性，研究團(tuán)隊(duì)對SH02基因沉默的水稻進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定到126個差異表達(dá)的基因，其中SH02下調(diào)表達(dá)，木質(zhì)素合成相關(guān)的基因CAD2、CCR19、PAL1和COMT上調(diào)表達(dá)，差異基因的GO富集與細(xì)胞壁的定位和纖維素的合成相關(guān)。

結(jié)論

1.?MSN-siRNA遞送系統(tǒng)可以有效地將siRNA傳遞到各種植物結(jié)構(gòu)和器官，探索植物基因功能和改善性狀方面的潛力；?2.?沉默落粒相關(guān)的基因，木質(zhì)素合成相關(guān)的基因表達(dá)量增加，減少落粒，說明對植物生理和代謝的更廣泛影響；3.?RNA-seq的深度數(shù)據(jù)分析聯(lián)合分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，協(xié)助闡明落粒相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)。

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參考文獻(xiàn)

Liu, Z., Zhang, J., Cai, Y., Wang, H., Luo, M., Li, J., Yu, H., Meng, X., and Cao, Y. (2024). Improving Seed Shattering Resistance in Wild O. alta Rice with Mesoporous Silica Nanoparticle Delivery Systems. Nano Letters.?