文章梗概

近日，kaiyun欧洲杯合作单位国家纳米科学中心曹宇虹研究员团队在Nano Letters（IF9.6,JCR Q1）上发表了题为“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）对四倍体野生稻（Oryza alta）的落粒性进行改良。基于kaiyun欧洲杯SURFSeq 5000高通量测序平台的转录组测序结果，研究团队分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，木质素沉积相关基因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。通过进一步的分子生物学实验，证实了落粒相关基因的沉默显著减少了水稻籽粒与小穗之间的离层形成，增强了小穗的抗拉强度。本研究证实MSN-siRNA递送系统是一种灵活、有效的作物性状改良方法，为实践可持续农业发展提供了一个有前景的工具。

背景介绍

人口的增长、全球气候变化对粮食的产量和安全构成重大威胁，迫切需要可持续农业。水稻(Oryza sativa L.)是全球约一半人口的主要粮食作物，尤其容易受到这些挑战的影响。四倍体野生稻（Oryza alta）拥有诸多优点（较高的株高和干重、对非生物和生物胁迫的抗性强），但种子成熟后易脱落，影响产量。纳米技术在农作物的改良中进行了一系列的尝试：增强作物对盐和干旱的抗性，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，证明它们具有短暂的基因沉默能力。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递送到野生稻的花穗，证明它们可以增加木质素的合成，改善落粒性状。

*以下为该研究成果解读

结果概要

1． PDS、Ruby基因沉默影响叶片颜色

为了评估MSN的siRNA传递效率，研究人员以野生稻中的植物烯去饱和酶（PDS）和转基因野生稻中的Ruby基因为研究对象。叶面喷施MSN-siRNA复合物可有效传递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递送系统可以用于作物的靶向遗传干预，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。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，木质素生物合成基因相关CAD2和CCR19显著上调。为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析，鉴定到126个差异表达的基因，其中SH02下调表达，木质素合成相关的基因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递送系统可以有效地将siRNA传递到各种植物结构和器官，探索植物基因功能和改善性状方面的潜力； 2. 沉默落粒相关的基因，木质素合成相关的基因表达量增加，减少落粒，说明对植物生理和代谢的更广泛影响；3. RNA-seq的深度数据分析联合分子生物学实验验证，协助阐明落粒相关的遗传基础。

参考文献

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.