Botrytis cinerea, возбудитель серой гнили, поражает более 1400 видов растений, включая томаты, огурцы и клубнику, и наносит существенный экономический ущерб во всем мире. Ранее было показано, что этот патоген относительно плохо усваивает применяемую извне двухцепочечную РНК, что ограничивает практическое применение стратегий борьбы на основе РНК-интерференции. Для преодоления этого препятствия исследователи разработали наноплатформу доставки на основе звездообразного поликатиона. Положительно заряженный наноноситель самоорганизуется с отрицательно заряженными молекулами двухцепочечной РНК несколькими путями, образуя стабильные наноразмерные комплексы.
Исследовательская группа под руководством профессоров Цзе Шэня и Шуо Яня из Китайского сельскохозяйственного университета совершила значительный прорыв в области защиты растений на основе РНК, показав, как наноносители могут значительно улучшить доставку двухцепочечной РНК (дцРНК) в опасный грибной патоген Botrytis cinerea. Их открытия не только раскрывают клеточные механизмы, лежащие в основе доставки РНК с помощью нанотехнологий, но и открывают путь для разработки высокоэффективных РНК-фунгицидов против серой гнили, сообщает китайский агропортал Аgropages.
В исследовании, опубликованном в журнале Plant Biotechnology Journal, рассматривается одна из наиболее актуальных проблем, стоящих перед разработкой РНК-пестицидов: как эффективно транспортировать двухцепочечные молекулы РНК через биологические барьеры целевых патогенов.
РНК-интерференция стала перспективной технологией борьбы с вредителями и болезнями нового поколения благодаря своей высокой специфичности, низкой стойкости в окружающей среде и сниженному риску развития резистентности. Однако эффективность РНК-содержащих продуктов в значительной степени зависит от способности двухцепочечных молекул РНК проникать в целевые клетки.
Исследование показало, что звездообразный поликатион значительно улучшает поглощение двухцепочечной РНК грибными клетками.
Звездообразный поликатион — это высокомолекулярное соединение (полимер) сложной пространственной формы, макромолекула которого имеет форму «звезды» и несет положительный электрический заряд. Оно сочетает в себе два фундаментальных химических свойства: особую геометрию (архитектуру) и свойства полиэлектролита (поликатиона).
Используя флуоресцентную микроскопию, транскриптомный анализ, эксперименты по подавлению экспрессии генов и трансмиссионную электронную микроскопию, исследователи обнаружили, что это соединение активирует два различных, но взаимосвязанных клеточных транспортных пути:
ЭндоцитозТрансмембранный транспортНаночастицы, доставленные с помощью модифицированной двухцепочечной РНК, проникали в клетки грибов в 2,19 раза эффективнее, чем при немодифицированной двухцепочечной РНК. При этом количество везикул, содержащих груз и участвующих в эндоцитозе, увеличилось в 3,74 раза, а количество частиц, участвующих в трансмембранном транспорте, увеличилось в 1,87 раза.
Команда исследователей выявила шесть ключевых генов, играющих важную роль в этих путях поглощения: pkc, ypt10, pil1, mfs1, mfs2 и mfs3. При подавлении этих генов клеточное поглощение доставленной с помощью наночастиц двухцепочечной РНК значительно снижалось.
Пожалуй, наиболее интригующим открытием исследователей стало то, что два транспортных пути не функционируют независимо друг от друга. Вместо этого они взаимодействуют друг с другом, оптимизируя внутриклеточное поглощение. Блокирование одного пути первоначально снижало поглощение двухцепочечной РНК, но более длительное ингибирование вызывало компенсаторную активацию другого пути, что подчеркивает сложный механизм клеточной адаптации.
Помимо облегчения усвоения, этот наноноситель также обеспечивал важные защитные свойства.
Нанокомплексы защищали молекулы двухцепочечной РНК от деградации ферментами РНКазы, значительно повышая молекулярную стабильность. Кроме того, положительно заряженные комплексы более эффективно прикреплялись к поверхности грибов, увеличивая удержание на мицелии B. cinerea и повышая вероятность проникновения в клетку.
Эти характеристики позволяют устранить два основных ограничения, препятствовавших разработке коммерческих РНК-пестицидов: нестабильность в окружающей среде и неэффективная доставка.
Фунгициды на основе РНК конкурируют с коммерческими продуктами
Для оценки практической эффективности исследователи разработали фунгицидные препараты на основе РНК, нацеленные на грибные гены dcl2 и iqg1, оба из которых имеют решающее значение для развития и вирулентности патогена.
В сочетании с звездообразным поликатионом препараты на основе двухцепочечной РНК (dsRNA) обеспечили замечательную защиту от серой гнили как на листьях огурцов, так и на плодах томатов. Наиболее эффективная формула снизила поражение болезнями до уровня, сопоставимого с коммерческим фунгицидом, используемым в качестве положительного контроля.
Примечательно, что аналогичные препараты на основе двухцепочечной РНК без наноносителя показали незначительный или нулевой защитный эффект, что подчеркивает центральную роль нанодоставки в достижении эффективного контроля над заболеванием.
Данное исследование представляет собой одно из наиболее подробных на сегодняшний день исследований того, как наноносители способствуют доставке РНК в патогенные грибы. Выявив синергетическую роль эндоцитоза и трансмембранного транспорта, работа закладывает механистическую основу для разработки более эффективных РНК-пестицидов.
Поскольку сельское хозяйство ищет альтернативы традиционным химическим фунгицидам, нанотехнологии на основе РНК все чаще рассматриваются как перспективный путь к устойчивой защите сельскохозяйственных культур.
Источник: news.agropages.com.
На заглавном фото: превосходные адгезионные свойства и защитный эффект фунгицидов на основе РНК с добавлением звездообразного поликатиона (SPc) в отношении серой гнили на томате.