湖南农大水稻害虫研究团队利用基因编辑鉴定出二化螟FAR基因功能,并借助HIGS技术创造抗二化螟水稻新种质

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发表时间：2023-06-28

二化螟是危害水稻的重要害虫，在我国频繁暴发成灾，严重威胁国家粮食安全。2020年农业农村部已将二化螟列入《一类农作物病虫害名录》。长期以来，过度依赖化学防治导致 “3R”问题日趋严重，亟待寻找安全、绿色、高效的害虫防控新策略。寄主介导的基因沉默技术（HIGS）是一种新的农业害虫防治方法，害虫在为害转基因作物的同时摄入外源特异dsRNA，从而诱导害虫目标基因的RNAi，引发害虫不良反应达到控制虫害的目的。

近日，湖南农业大学植物保护学院水稻害虫研究团队在国际知名期刊 Plant Biotechnology Journal（IF=13.26）上发表了题为“FAR knockout significantly inhibits Chilo suppressalis survival and transgene expression of double-stranded FAR in rice exhibits strong pest resistance”的研究论文。研究人员利用基因编辑技术鉴定了二化螟FAR基因功能, 并借助HIGS技术构建了表达dsFAR的抗二化螟水稻新材料。

研究团队长期致力于寻找基于生殖发育调控的害虫防控新策略。先前研究表明，二化螟雌蛾卵子成熟过程在蛹期完成，而FAR (fatty acyl-coenzyme A reductase)基因在二化螟蛹期高表达，研究人员首先通过RNAi实验探究该基因是否参与二化螟生殖发育过程，结果显示，该基因与卵巢发育无直接相关性。进一步采用multi-sgRNAs/Cas9基因编辑技术对二化螟FAR保守结构域进行大片段敲除，成功创建二化螟FAR突变体，结果发现敲除FAR后，G0代幼虫生长发育明显受阻，存活率显著下降，提示该基因在二化螟幼虫生长发育过程中发挥重要作用，可作为创建抗二化螟水稻新材料的靶标。同时，利用Multi-sgRNAs/Cas9基因编辑技术可在单代二化螟中完成基因功能鉴定，解决了鳞翅目昆虫难以筛选突变纯合体的问题，该技术的成功运用为鳞翅目害虫基因功能研究提供了有力的工具。

在此基础上，研究人员利用转基因工程技术成功构建了表达dsFAR的转基因水稻株系。利用Southern印迹杂交及荧光原位杂交分析表明该水稻株系可稳定表达dsFAR，Small RNA测序结果显示，dsFAR能被水稻内切酶切割为特异的siRNAs。以具有较高dsFAR表达水平的水稻株系（L#2、L#10、L#11）进行室内外饲喂生物测定实验，结果表明二化螟在取食过程中可有效吸收外源siRNAs从而高效沉默靶基因，导致其死亡率升高。更重要的是，二化螟在取食过程中对转基因株系仅造成局部组织损伤，同时也未发现转基因植株对非靶标害虫（白背飞虱）及水稻主要农艺性状和产量有不良影响。该研究成果为利用HIGS技术靶向调控二化螟生长发育的关键基因进行害虫防治奠定了基础，为二化螟综合治理提供了新的思路。