文(wén)章梗概
近日，真迈生物(wù)合作(zuò)单位國(guó)家纳米科(kē)學(xué)中(zhōng)心曹宇虹研究员团队在Nano Letters（IF9.6,JCR Q1）上发表了题為(wèi)“Improving Seed Shattering Resistance in Wild O. alta Rice with Mesoporous Silica Nanoparticle Delivery Systems”的研究成果。该研究通过介孔二氧化硅纳米颗粒递送系统（MSNs）对四倍體(tǐ)野生稻（Oryza alta）的落粒性进行改良。基于真迈生物(wù)SURFSeq 5000高通量测序平台的转录组测序结果，研究团队分(fēn)析了落粒相关基因沉默后细胞壁和纤维素合成相关基因转录组水平变化，发现落粒相关基因SH02表达下调，木(mù)质(zhì)素沉积相关基因CAD2、CCR19、PAL1、COMT表达上调，差异基因的GO富集与细胞壁的定位和纤维素的合成相关。通过进一步的分(fēn)子生物(wù)學(xué)实验，证实了落粒相关基因的沉默显著减少了水稻籽粒与小(xiǎo)穗之间的离层形成，增强了小(xiǎo)穗的抗拉强度。本研究证实MSN-siRNA递送系统是一种灵活、有(yǒu)效的作(zuò)物(wù)性状改良方法，為(wèi)实践可(kě)持续农业发展提供了一个有(yǒu)前景的工(gōng)具(jù)。
背景介绍
人口的增長(cháng)、全球气候变化对粮食的产(chǎn)量和安(ān)全构成重大威胁，迫切需要可(kě)持续农业。水稻(Oryza sativa L.)是全球约一半人口的主要粮食作(zuò)物(wù)，尤其容易受到这些挑战的影响。四倍體(tǐ)野生稻（Oryza alta）拥有(yǒu)诸多(duō)优点（较高的株高和干重、对非生物(wù)和生物(wù)胁迫的抗性强），但种子成熟后易脱落，影响产(chǎn)量。纳米技(jì )术在农作(zuò)物(wù)的改良中(zhōng)进行了一系列的尝试：增强作(zuò)物(wù)对盐和干旱的抗性，改善羧基化反应和二氧化碳吸收，减轻重金属毒性等。因此，研究团队首先通过介孔二氧化硅纳米颗粒喷洒叶片将影响叶绿素合成的两个基因的siRNA靶向到野生稻，改变叶片的颜色，证明它们具(jù)有(yǒu)短暂的基因沉默能(néng)力。其次，通过介孔二氧化硅纳米颗粒将影响落粒四个基因的siRNA递送到野生稻的花(huā)穗，证明它们可(kě)以增加木(mù)质(zhì)素的合成，改善落粒性状。
*以下為(wèi)该研究成果解读
结果概要
1． PDS、Ruby基因沉默影响叶片颜色
為(wèi)了评估MSN的siRNA传递效率，研究人员以野生稻中(zhōng)的植物(wù)烯去饱和酶（PDS）和转基因野生稻中(zhōng)的Ruby基因為(wèi)研究对象。叶面喷施MSN-siRNA复合物(wù)可(kě)有(yǒu)效传递siRNA，导致PDS基因沉默达70%，Ruby基因沉默达75%。上述实验说明MSN-siRNA递送系统可(kě)以用(yòng)于作(zuò)物(wù)的靶向遗传干预，证明其在沉默内源和转基因基因方面的有(yǒu)效性。
2.SH02基因沉默改善落粒性
通过序列比对，研究团队在野生稻中(zhōng)发现了4个落粒基因(SH01-SH04)，针对每条序列合成siRNAs，并将其与MSN共孵育，然后将其递送到水稻穗中(zhōng)。在4个落粒相关基因被沉默后，Q-PCR的结果显示SH01、SH02、SH03和SH04都显著下调，木(mù)质(zhì)素生物(wù)合成基因相关CAD2和CCR19显著上调。為(wèi)了进一步确定落粒基因siRNA的特性，研究团队对SH02基因沉默的水稻进行了转录组分(fēn)析，鉴定到126个差异表达的基因，其中(zhōng)SH02下调表达，木(mù)质(zhì)素合成相关的基因CAD2、CCR19、PAL1和COMT上调表达，差异基因的GO富集与细胞壁的定位和纤维素的合成相关。
结论
1. MSN-siRNA递送系统可(kě)以有(yǒu)效地将siRNA传递到各种植物(wù)结构和器官，探索植物(wù)基因功能(néng)和改善性状方面的潜力； 2. 沉默落粒相关的基因，木(mù)质(zhì)素合成相关的基因表达量增加，减少落粒，说明对植物(wù)生理(lǐ)和代謝(xiè)的更广泛影响；3. RNA-seq的深度数据分(fēn)析联合分(fēn)子生物(wù)學(xué)实验验证，协助阐明落粒相关的遗传基础。
参考文(wén)献
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.