微生物诱导基因沉默技术靶向FgPMT2基因增强玉米对禾谷镰刀菌的抗性研究

《aBIOTECH》：Microbe-induced gene silencing of fungal gene confers efficient resistance against Fusarium graminearum in maize

编辑推荐：针对玉米茎腐病防治难题，中国科学院微生物研究所团队开发了基于微生物诱导基因沉默(MIGS)的新型生物防治策略。该研究通过工程化改造哈茨木霉(Th-FgPmt2i)产生靶向禾谷镰刀菌(F. graminearum)FgPMT2基因的siRNA，证实其可通过抑制FgPMT2翻译破坏病原菌细胞壁完整性，使玉米幼苗发病率显著降低，为无宿主遗传修饰的作物保护提供了普适性解决方案。

　　

玉米作为全球重要粮食作物，长期受到茎腐病的严重威胁。这种由多种病原体复合侵染引起的病害中，禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)因其最强致病性成为主要元凶。传统防治面临双重困境：一方面育种周期漫长且缺乏有效抗性基因资源，另一方面化学农药带来环境负担。在真核生物中保守存在的RNA干扰(RNAi)机制，特别是其介导的跨物种基因沉默现象，为作物保护提供了新思路。中国科学院微生物研究所的Ting Chen、Jian-Hua Zhao等研究人员在《aBIOTECH》发表的研究，创新性地将微生物诱导基因沉默(MIGS)技术应用于玉米-禾谷镰刀菌系统，为作物病害防控开辟了无需宿主遗传改造的新途径。

研究团队采用的关键技术包括：1）构建靶向FgPMT2基因的RNAi工程菌株(Th-FgPmt2i)，通过Southern blot验证转化效率；2）荧光标记dsRNA示踪技术确认禾谷镰刀菌的RNA摄取能力；3）RNA凝胶印迹和Western blot分析靶基因沉默效果；4）细胞壁完整性检测（SDS和刚果红胁迫实验）；5）玉米保护实验（采用郑单958品种，设置Fg单接种、Fg+野生型哈茨木霉、Fg+工程菌处理组）。

研究结果部分：
"FgPMT2基因功能验证"显示该基因对禾谷镰刀菌生存至关重要，常规基因敲除无法获得存活突变体，因此选择RNAi策略进行功能研究。通过构建含FgPMT2特异性片段的RNAi载体转化哈茨木霉，获得能稳定产生siPmt2s的工程菌株Th-FgPmt2i-1（产量最高菌株）。

"RNA摄取与基因沉默验证"通过荧光标记实验首次证实禾谷镰刀菌可有效内化环境中的dsRNA。培养上清处理实验表明，Th-FgPmt2i产生的siRNA能特异性抑制FgPMT2蛋白表达（降低60%），但mRNA水平不变，提示其通过翻译抑制而非mRNA降解发挥作用。

"细胞壁完整性分析"发现，经Th-FgPmt2i上清处理的病原菌对SDS和刚果红的敏感性显著增加（菌落直径减少35-42%），证实FgPMT2沉默破坏了细胞壁稳定性。该基因编码的O-甘露糖基转移酶(O-mannosyltransferase)对维持真菌细胞壁结构具有关键作用。

"玉米保护效果评估"显示，在含10⁶ CFU/g工程菌的土壤中，玉米幼苗的茎高、鲜重和根长较病原菌单独接种组提高40-55%，根部褐变病灶减少80%。病害严重指数(DSI)和qPCR检测的病原菌生物量均显著下降，且工程菌处理组土壤表面菌丝生长明显受抑。值得注意的是，野生型哈茨木霉仅表现出轻微保护作用，凸显特异性基因沉默的重要性。

研究结论指出，MIGS技术通过三重优势革新作物保护：其一，突破宿主遗传转化限制，使RNAi技术可应用于难转化作物；其二，利用哈茨木霉作为"生物工厂"持续产生siRNA，比化学喷洒更持久；其三，靶向保守的PMT基因家族，该策略可拓展至其他真菌病害防治。这项工作与团队前期在棉花黄萎病(V. dahliae)和水稻枯萎病(F. oxysporum)中的研究共同构成MIGS技术体系，为农业可持续发展提供了环境友好的解决方案。未来研究需优化工程菌的田间定殖能力和RNA递送效率，以推进该技术从实验室走向实际应用。