灰霉病（Gray mold）是危害多种农作物的重要真菌病害，由灰葡萄孢（Botrytis cinerea）侵染所致，在全球农业生产中造成巨大的经济损失。灰葡萄孢寄主范围广，适应性强，具有高度的遗传变异特性，极易对多种杀菌剂产生抗药性，因此，传统化学防控手段面临逐渐失效的风险，探索高效、安全、新型的灰霉病防治技术已成为产业迫切需求。
喷雾诱导的基因沉默（Spray-Induced Gene Silence, SIGS）是当下极具应用前景的绿色植物保护策略，目前该技术的研究和应用主要集中于通过外源喷施双链RNA（dsRNA）靶向沉默有害生物的关键功能基因实现病虫害防控。但SIGS技术能否通过调控植物自身内源基因来发挥作用仍缺乏系统性探索。近年来，植物感病基因的发掘与功能解析已成为植物病理学领域的研究热点，然而关于其利用的报道相对较少，主要是因为通过基因工程敲除或稳定沉默相关基因可能会影响植物的正常生长发育，导致明显的应用局限。相比之下，通过外源dsRNA直接沉默植物感病基因，可避免植物和有害生物之间的跨界小RNA运输风险，同时不会对植物生长发育产生长效负面影响，是一种极具潜力的新型 SIGS技术防控思路，但目前国内外相关研究仍比较匮乏。
针对上述技术难题，中国农业大学刘西莉教授课题组取得重要原创性成果，相关研究成果近日发表于《Plant Nano Biology》期刊，论文题为“A novel carbon quantum dot-based system delivering double-stranded RNA targeting susceptibility genes in tomato could control gray mold (Botrytis cinerea)”，该研究以番茄-灰葡萄孢互作体系为研究模型，构建了基于碳量子点（CDs）的新型高效纳米递送系统，实现靶向植物感病基因dsRNA的稳定、高效递送，成功筛选获得3种纳米dsRNA杀菌剂，可精准沉默番茄感病基因，显著提升植株内源茉莉酸含量，激活植物抗病通路，最终实现对灰霉病的有效防控。该研究首次报道了通过纳米核酸农药调控植物感病基因表达，实现作物病害防控的新技术体系，拓宽了喷雾诱导基因沉默技术的应用场景与靶标范围，为SIGS技术的进一步高效利用提供了理论和技术支撑。
首先针对番茄的3个感病基因SlACET1, SlDND1和SlMLO1进行高效dsRNA设计和发掘，从9个候选dsRNA中筛选获得dsACET1-2, dsDND1-1和dsMLO1-3这3个功能性dsRNA，可明显增强植物对灰葡萄孢的抗病性，其防治效率（多次生物学重复中相对对照处理明显提升植物抗病性的比例）分别达到78%，75%以及75%。喷施dsRNA于植物后还能显著降低番茄植株体内靶标基因的表达水平；同时，外源喷施的dsRNA均可被植物RNAi系统加工生成20-30 nt的小RNA，进一步分析表明，不同dsRNA的活性与其喷施后植物体内产生的小RNA丰度呈正相关（图1）。图1 有效防控番茄灰霉病的dsRNA筛选及其基因沉默效率和sRNA产生丰度 在此基础上，本研究进一步进行了碳量子点的合成和修饰，利用其装载上述筛选得到的高效dsRNA，探索了碳量子点与dsRNA最优结合比例以达到最佳的病害防控效果。研究发现，当dsRNA与CDs质量比为1:4 时，复合体系的病害防治效果和基因沉默效率均最高（图2）。基于该最优比例制备dsRNA-CDs纳米核酸农药并开展温室防效验证，结果显示，3种dsRNA-CDs复合物对番茄灰霉病的最高防效可达66.5%，显著优于dsGFP-CDs和3种dsRNA的单独处理，具有良好的田间应用开发潜力。图3 靶向番茄植物感病基因的核酸农药对植物生长和植物激素的影响
