摘要
植物寄生線蟲系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一類重要的植物病原生物?;蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、RNA干擾(RNAi)和CRISPR/Cas基因編輯等前沿科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用加深了對線蟲入侵策略及植物防御響應(yīng)的理解,推動了對植物線蟲互作機制的認(rèn)識。本文著重介紹了組學(xué)和基因編輯技術(shù)在揭示植物線蟲基因互作中的應(yīng)用,以及培育新型抗線蟲作物品種的新途徑。未來在植物寄生線蟲的研究與管理方面應(yīng)聚焦于多組學(xué)數(shù)據(jù)的綜合利用、基因編輯技術(shù)的創(chuàng)新、生物信息學(xué)及人工智能在機理解析中的運用,以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在病害管理中的應(yīng)用,為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)健康發(fā)展提供保障。
關(guān)鍵詞
植物寄生線蟲;"RNA干擾(RNAi);"CRISPR/Cas技術(shù);"抗線蟲作物品種
中圖分類號:
S"43245
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:"A
DOI:"10.16688/j.zwbh.2024197
Applications"and"prospects"of"technologies"such"as"omics"and"gene"editing"in"plantnematode"gene"interactions
CHEN"Luying,"ZHENG"Jingwu,"HAN"Shaojie*
(Institute"of"Biotechnology,"College"of"Agriculture"amp;"Biotechnology,"Zhejiang"University,"Hangzhou"310058,"China)
Abstract
Plantparasitic"nematodes"pose"a"significant"threat"to"our"agriculture."Advances"in"genomics,"transcriptomics,"proteomics,"RNAi,"and"CRISPR/Cas"gene"editing"technology"have"significantly"improved"our"ability"to"control"these"pests,"enhancing"our"understanding"of"their"invasion"tactics"and"the"defense"mechanisms"of"plants."This"review"highlights"the"applications"of"these"scientific"tools"in"revealing"plantnematode"gene"interactions"and"the"new"approaches"to"breeding"resistant"crops."Future"research"will"harness"multiomics,"gene"editing"innovations,"bioinformatics,"AI,"and"precision"agriculture"to"advance"nematode"research"and"management,"supporting"the"continued"growth"of"sustainable"agriculture.
Key"words
plant"parasitic"nematodes;"RNA"interference"(RNAi);"CRISPR/Cas"technology;"nematoderesistant"crop"varieties
線蟲,這類兩側(cè)對稱且具有三胚層假體腔的無脊椎動物,在全球種類繁多,超過一百萬種[1]。其中,被廣泛認(rèn)定為植物寄生線蟲的種類超過4"100種,這些寄生性線蟲
可感染超過3"000個不同屬的作物,每年造成大量經(jīng)濟(jì)損失,使全球農(nóng)業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)[2]。目前研究主要集中在對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有嚴(yán)重威脅的孢囊線蟲Heterodera、球孢囊線蟲Globodera、莖線蟲Ditylenchus、粒線蟲Anguina、根結(jié)線蟲Meloidogyne和傘滑刃線蟲Bursaphelenchus等類群[3]。對線蟲的防治包括農(nóng)業(yè)防治、物理、化學(xué)和生物防治等,但有些方法還可能會對生態(tài)環(huán)境造成不利影響[45]。在此背景下,分子育種和基因工程技術(shù)提供了新的解決方案[6]。
為更好地了解線蟲對植物的危害及其防治策略,科學(xué)家們利用了先進(jìn)的組學(xué)技術(shù)和基因編輯等方法。其中,組學(xué)技術(shù)(包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等)在揭示植物與線蟲基因互作機制方面取得了顯著進(jìn)展。例如,通過基因組測序技術(shù),研究人員能夠深入了解植物寄生線蟲的遺傳特性及其與寄主植物的互作機制。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析則揭示了線蟲在不同發(fā)育階段和環(huán)境條件下的基因表達(dá)模式,為研究線蟲的致病機制和植物的防御反應(yīng)提供了寶貴數(shù)據(jù)。蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)進(jìn)一步解析了線蟲和寄主植物在相互作用過程中的生理和生化變化。基因編輯技術(shù),如CRISPR/Cas9和RNA干擾(RNAi),在植物抗線蟲育種中的應(yīng)用日益廣泛。CRISPR/Cas9技術(shù)通過精確編輯植物基因組,增強了植物對線蟲侵染的抵抗力,揭示了許多關(guān)鍵抗性基因的功能。通過RNAi技術(shù)沉默特定基因,顯著減少了線蟲對植物的侵害。這些技術(shù)不僅提高了育種效率,還克服了傳統(tǒng)育種周期長、抗性基因應(yīng)用范圍窄等限制。本文將對組學(xué)、基因編輯和RNA干擾技術(shù)在植物與線蟲基因互作研究中的應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹,闡述其在抗線蟲作物育種中的潛力和前景,并探討未來的研究方向和應(yīng)用前景。
1"植物寄生線蟲組學(xué)(omics)研究進(jìn)展
1.1"植物寄生線蟲基因組學(xué)
得益于高通量測序技術(shù)的進(jìn)步,研究人員已完成多種植物寄生線蟲的基因組測序,促進(jìn)了對這些線蟲遺傳特征和生物學(xué)行為的深入理解。其中,秀麗隱桿線蟲Caenorhabditisnbsp;elegans標(biāo)志性地成為首個完成基因組測序的線蟲[7];緊隨其后的是南方根結(jié)線蟲Meloidogyne"incognita和北方根結(jié)線蟲M.hapla,它們是最早被測序的植物寄生線蟲[89];松材線蟲Bursaphelenchus"xylophilus是第一個應(yīng)用下一代測序(nextgeneration"sequencing,"NGS)技術(shù)完成測序的植物寄生線蟲[10]。到目前為止,已經(jīng)測序的植物寄生線蟲主要包括孢囊線蟲Heterodera、球孢囊線蟲Globodera、根結(jié)線蟲Meloidogyne、穿孔線蟲Radopholus和莖線蟲Ditylenchus等屬的種群[11]。這些線蟲的基因組大小及基因數(shù)量的顯著差異揭示了它們各自獨特的生物學(xué)特性和適應(yīng)機制。與自由生活的秀麗隱桿線蟲相比,大多數(shù)植物寄生線蟲和動物寄生線蟲的基因組較小,這種縮小主要是由于重復(fù)區(qū)域減少、內(nèi)含子和基因拷貝數(shù)的減少?;驍?shù)量的減少可能反映了線蟲在進(jìn)化過程中向寄生生活方式轉(zhuǎn)變的趨勢[11]。通過基因組學(xué)分析,揭示了異源多倍體根結(jié)線蟲染色體廣泛融合的重要機制[12]。相關(guān)研究不僅揭示了線蟲基因組結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜性,還發(fā)現(xiàn)了多個關(guān)鍵基因,這些基因在寄主侵染、逃避寄主免疫反應(yīng)等生命活動中起到了至關(guān)重要的作用。
當(dāng)前基因組學(xué)數(shù)據(jù)揭示了水平基因轉(zhuǎn)移、串聯(lián)重復(fù)序列、基因家族擴(kuò)張或收縮等在植物寄生線蟲適應(yīng)寄生生活方式中扮演的關(guān)鍵角色[13]。許多植物寄生線蟲的細(xì)胞壁降解酶基因是通過水平基因轉(zhuǎn)移從細(xì)菌或真菌中獲得的,其與細(xì)菌和真菌中的同源基因具有高度相似性,而在非植物寄生線蟲中這類基因幾乎不存在[1416]。此外,串聯(lián)重復(fù)序列是植物寄生線蟲基因組進(jìn)化的重要特征之一[17]。Masonbrink等使用RedTandem軟件分析,發(fā)現(xiàn)大豆孢囊線蟲H.glycines基因組中存在高達(dá)34%的重復(fù)序列,這些區(qū)域的基因密度甚至超過非重復(fù)區(qū)[18]。Noon等的研究也發(fā)現(xiàn),大豆孢囊線蟲的效應(yīng)子基因GLAND18的每個外顯子都包含1個重復(fù)結(jié)構(gòu)域,整個序列為串聯(lián)重復(fù)序列[19]。這種重復(fù)序列的存在和變異可能對基因功能和基因組水平的變異具有重要作用[20]。在植物寄生線蟲中,與秀麗隱桿線蟲同源的大多數(shù)G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)、核類固醇激素受體以及具有幾丁質(zhì)降解活性的CAZyme酶基因的數(shù)量明顯減少,這一現(xiàn)象與它們寄生于植物體內(nèi)這一特定生活方式密切相關(guān)[89,"21]。
此外,通過基因組學(xué),研究人員深入解析了植物寄生線蟲與寄主互作的關(guān)鍵問題。例如,通過基因組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)孢囊線蟲效應(yīng)蛋白基因啟動子區(qū)域含有DOGbox(dorsal"gland"box),這一發(fā)現(xiàn)顯著促進(jìn)了效應(yīng)蛋白的篩選和鑒定[18]。此外,組學(xué)研究還揭示了首個擬禾本科根結(jié)線蟲M.graminicola的抗性基因MG1,這一發(fā)現(xiàn)為培育抗性更強的水稻品種提供了重要基因資源[22]。同樣,通過組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)了潛在的抗大豆孢囊線蟲關(guān)鍵基因,包括抗病蛋白(PR)基因,與脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子基因(如ERFs),一般脅迫響應(yīng)基因(如谷胱甘肽"S轉(zhuǎn)移酶和滲透蛋白基因),病害抗性響應(yīng)蛋白基因,
多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(polygalacturonaseinhibiting"protein,
PGIPs)和超敏反應(yīng)(HR)相關(guān)基因的同源基因(如harpin誘導(dǎo)基因1,Hin1)等[23],這些基因在植物防御線蟲侵染過程中發(fā)揮了重要作用。這些研究成果加深了我們對植物寄生線蟲在與寄主互作過程中的適應(yīng)與進(jìn)化機制的理解,揭示了塑造其基因特性的過程及關(guān)鍵基因的功能。雖然在植物寄生線蟲基因組學(xué)領(lǐng)域的研究已取得一系列重要成就,但仍面臨不少挑戰(zhàn),如基因組內(nèi)部的高度復(fù)雜多樣性的解析以及特定基因具體功能的驗證。未來研究可利用已獲得的基因組數(shù)據(jù)尋找寄主響應(yīng)侵染的關(guān)鍵基因和植物免疫反應(yīng)的信號分子,并使其成為開發(fā)新型生物防治方法或轉(zhuǎn)基因作物的重要靶點。
1.2"植物寄生線蟲轉(zhuǎn)錄組學(xué)
隨著轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,研究人員能夠更加全面地解析植物寄生線蟲的侵染機制及其與寄主植物的互作過程。在植物寄生線蟲的研究中,轉(zhuǎn)錄組學(xué)常用于線蟲不同發(fā)育階段、不同環(huán)境條件下與寄主的互作,以及一些特定互作過程的研究和植物寄生線蟲轉(zhuǎn)錄組動態(tài)的全面分析。相關(guān)研究已揭示了許多有關(guān)線蟲侵染、遷移和應(yīng)對寄主防御的至關(guān)重要的基因和信號通路[2426]以及調(diào)節(jié)寄主植物應(yīng)激反應(yīng)的效應(yīng)子[19,"27]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于植物寄生線蟲效應(yīng)子的預(yù)測和發(fā)掘[28]。例如,在大豆孢囊線蟲的效應(yīng)子研究中,從線蟲食道腺細(xì)胞中提取mRNA,隨后構(gòu)建cDNA文庫以鑒定候選效應(yīng)子[2930],通過單克隆測序和生物信息學(xué)分析,篩選出N端具有信號肽且缺乏跨膜區(qū)域的候選效應(yīng)子[31]。此外,通過mRNA原位雜交技術(shù)評估了這些候選效應(yīng)子在食道腺的特異性表達(dá)情況[32],進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),其中約有50種候選效應(yīng)子在大豆孢囊線蟲食道腺中特異性表達(dá),且其中大約75%的候選效應(yīng)子在當(dāng)時的數(shù)據(jù)庫中未找到相似序列[29]。Noon等在此基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化并發(fā)現(xiàn)了18種新的大豆孢囊線蟲候選效應(yīng)子[19]。這些進(jìn)展不僅證明了轉(zhuǎn)錄組學(xué)在揭示植物寄生線蟲的效應(yīng)子在調(diào)控寄主細(xì)胞過程中的關(guān)鍵作用,也為未來研發(fā)針對這些病原物的防控策略提供了重要的分子靶標(biāo)。
由于植物寄生線蟲特有的生物學(xué)特性,其組織空間差異明顯,更適合應(yīng)用單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)獲取高分辨率數(shù)據(jù)。這些技術(shù)可以在單細(xì)胞水平上解析例如合胞體、巨型細(xì)胞等特異性組織內(nèi)部基因表達(dá)的動態(tài)變化,并在保持組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上揭示基因表達(dá)的空間異質(zhì)性;也能夠詳細(xì)分析線蟲不同發(fā)育階段和在寄主植物不同組織中的基因表達(dá)模式,從而更精準(zhǔn)地揭示植物與線蟲互作的分子機制。這些技術(shù)為研究線蟲致病機制和植物防御反應(yīng)提供了新的視角和更豐富的數(shù)據(jù)支持,也有助于深入理解寄主和病原物之間復(fù)雜的互作網(wǎng)絡(luò),包括由植物寄生線蟲侵染引發(fā)的寄主轉(zhuǎn)錄重編程、細(xì)胞死亡以及免疫反應(yīng)的激活等過程。目前,在植物寄生線蟲的研究中,單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的應(yīng)用還比較少,值得進(jìn)一步投入和發(fā)展。
1.3"植物寄生線蟲蛋白質(zhì)組學(xué)
通過質(zhì)譜技術(shù),尤其是基于質(zhì)譜技術(shù)的定量蛋白組學(xué),能夠直觀地探索與植物寄生線蟲抗性相關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)差異。例如,采用無標(biāo)記定量質(zhì)譜技術(shù)對水稻Oryza"sativa"‘日本晴’(‘Nipponbare’)與擬禾本科根結(jié)線蟲M.graminicola的互作進(jìn)行蛋白組學(xué)分析,共鑒定出6"072種蛋白,其中513種因線蟲感染而特異或顯著差異表達(dá)[33]。質(zhì)譜鑒定技術(shù)被用于鑒定根結(jié)線蟲分泌的效應(yīng)子,并與動物寄生線蟲的效應(yīng)子進(jìn)行比較[34]。研究者使用特定抗體免疫沉淀技術(shù),研究了感染大豆孢囊線蟲后,大豆Glycine"max抗性基因GmSHMT08相關(guān)的蛋白質(zhì)復(fù)合物,揭示了大豆抗線蟲的關(guān)鍵生物過程,如乙醛酸循環(huán)和氧化還原平衡等[35]。此外,基于iTRAQ蛋白質(zhì)組學(xué)分析,揭示了抗大豆孢囊線蟲的差異表達(dá)蛋白,這些蛋白參與了抗病和適應(yīng)環(huán)境脅迫的多個生物過程[36]。在種子萌發(fā)過程中,大豆種子分泌特定蛋白參與對南方根結(jié)線蟲的防御,這些發(fā)現(xiàn)都是通過質(zhì)譜技術(shù)實現(xiàn)的[37]。
蛋白質(zhì)組學(xué)不僅在基因組注釋、信號通路分析以及RNAi介導(dǎo)的基因靶向驗證中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,還被用于分析植物面對線蟲侵染等不同生物脅迫反應(yīng)時發(fā)生的蛋白質(zhì)組變化[3839]。這些研究表明,蛋白質(zhì)組學(xué)是連接基因與蛋白質(zhì)功能互作的重要橋梁,為深入理解植物與寄生線蟲之間的相互作用提供了新的視角和工具。
1.4"其他組學(xué)
其他組學(xué)研究方向包括代謝組學(xué)、表觀基因組學(xué)、互作組學(xué)等。通過結(jié)合代謝組和轉(zhuǎn)錄組分析,Shi等探討了不同大豆品種在響應(yīng)大豆孢囊線蟲小種侵染時的差異,發(fā)現(xiàn)了37種差異代謝物和20條KEGG代謝途徑,揭示了在抗線蟲過程中可能起關(guān)鍵作用的代謝物和相關(guān)基因[40];Zhang等[41]利用轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析2個水稻品種‘ZH11’和‘IR64’在感染擬禾本科根結(jié)線蟲后基因表達(dá)和代謝物的變化,發(fā)現(xiàn)‘ZH11’的類黃酮代謝顯著增強,這為抗病育種研究提供了理論指導(dǎo)。另有研究通過代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)促生根際細(xì)菌Bacillus"simplex菌株Sneb545能增強大豆對大豆孢囊線蟲的抵抗力,具有生物防御的潛在優(yōu)勢[42];此外,Eloh等[43]通過氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)現(xiàn),感染南方根結(jié)線蟲后2個月,番茄Solanum"lycopersicum葉片中的代謝物β丙氨酸、苯丙氨酸和蜜二糖含量升高,而核糖、甘油、肉豆蔻酸和棕櫚酸含量則下將。番茄莖中核糖、蔗糖、果糖和葡萄糖含量上升,而延胡索酸和甘氨酸含量下降。這些代謝物含量的變化反映了番茄面臨線蟲寄生壓力的分子適應(yīng)機制,為理解植物如何應(yīng)對線蟲侵染提供了新見解。這些代謝組學(xué)研究揭示了寄主與線蟲相互作用下的生理變化。
表觀基因組學(xué)關(guān)注DNA甲基化、組蛋白修飾、RNA修飾(如m6A、m5C、Ψ等)等表觀遺傳信息[44],在研究植物寄生線蟲感染過程中的基因表達(dá)調(diào)控機制方面具有重要作用。Qin等[45]通過m6A測序揭示了大豆孢囊線蟲誘導(dǎo)的動態(tài)甲基化如何促進(jìn)大豆的防御反應(yīng),促進(jìn)了對植物應(yīng)答機制的理解;互作組學(xué)則專注于寄主與線蟲間的相互作用,包括蛋白蛋白相互作用,如Xiang等[33]通過全蛋白組學(xué)分析揭示了擬禾本科根結(jié)線蟲與水稻品種‘日本晴’之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)了多個與抗病防御相關(guān)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)和基因表達(dá)變化,為水稻抵抗該線蟲的機制提供了新見解。
2"植物基因編輯技術(shù)在病原線蟲研究中的應(yīng)用進(jìn)展
2.1"CRISPR/Cas9系統(tǒng)在植物與線蟲相互作用中的應(yīng)用
CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在植物抗線蟲研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,揭示了多個重要基因在植物防御中的功能。例如,研究發(fā)現(xiàn),擬禾本科根結(jié)線蟲的效應(yīng)子MgMO237能通過與水稻防御相關(guān)蛋白OsBetv1相互作用,抑制水稻的防御反應(yīng)[46]。利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除OsBetv1基因后,突變體水稻對擬禾本科根結(jié)線蟲的抗性顯著低于野生型水稻,進(jìn)一步驗證了OsBetv1在水稻抵御根結(jié)線蟲侵染中的關(guān)鍵作用。此外,敲除OsBetv1還影響了水稻的生長發(fā)育,表明這一基因可能還具備調(diào)控植物生長的功能[47]。在番茄中,CRISPR/Cas9被用來研究MYB轉(zhuǎn)錄因子SlMYB57、SlMYB108和SlMYB112在茉莉酸介導(dǎo)的防御南方根結(jié)線蟲中的作用。敲除這些基因的試驗表明,SlMYB57負(fù)調(diào)控番茄對線蟲的抗性以及根系生長,而SlMYB108和SlMYB112則展現(xiàn)出相反的效果[48]。利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對水稻MG1基因進(jìn)行功能驗證,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該基因可以增強水稻對擬禾本科根結(jié)線蟲的抗性。敲除MG1導(dǎo)致抗性降低,揭示了MG1在植物防御中的重要角色[22]。應(yīng)用CRISPR/Cas9研究大豆抗、感品種中特定基因的作用,證實了tSNARE家族蛋白在大豆抵御線蟲侵染中的重要性[49]。Huang等[50]用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除水稻"‘日本晴’中擬禾本科根結(jié)線蟲效應(yīng)子MgMO289的靶基因OsHPP04,結(jié)果顯示,OsHPP04的缺失提高了水稻對擬禾本科根結(jié)線蟲的抗性,并增強了活性氧、胼胝質(zhì)以及防御基因的表達(dá),表明OsHPP04在水稻抗線蟲中具有重要作用。敲除番茄‘小湯姆’"(‘MicroTom’)的SlARF8A和SlARF8B基因后,突變體中南方根結(jié)線蟲的卵塊和卵量顯著減少,且被取食細(xì)胞相比野生型縮小約30%[51]。盡管突變體和野生型植株的葉片表型相似,但突變體主根長度和次生根數(shù)量的減少可能對南方根結(jié)線蟲的侵染產(chǎn)生了影響。在大豆與南方根結(jié)線蟲的相互作用中,南方根結(jié)線蟲的RALFlike"1蛋白與大豆GmLMM1結(jié)合,抑制宿主免疫反應(yīng),從而促進(jìn)線蟲侵染[52]。此外,利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除黃瓜Cucumis"sativus"‘Xintaimici’中蘋果酸合成酶基因?qū)ψ璧K南方根結(jié)線蟲的取食和發(fā)育有顯著效果[53]。
盡管目前CRISPR/Cas9已在水稻、番茄、大豆、黃瓜等多種作物中得到應(yīng)用,但在馬鈴薯、小麥和甘薯等作物的線蟲病害研究中尚未得到廣泛應(yīng)用[54],顯示出CRISPR/Cas9在植物線蟲病害防控領(lǐng)域具有巨大的潛力。CRISPR/Cas9技術(shù)及其衍生的多種應(yīng)用,如基因敲入、基因組內(nèi)的精確編輯(如base"editing)、CRISPRi/a的基因表達(dá)調(diào)控、表觀遺傳學(xué)修改、多重基因編輯、創(chuàng)建基因驅(qū)動系統(tǒng)等,為植物線蟲病害防控機制研究提供了前所未有的精準(zhǔn)和靈活的工具。這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)從單個基因的精確調(diào)控到全基因組層面的大規(guī)模編輯,為揭示線蟲與植物相互作用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)新的抗病基因,以及調(diào)控關(guān)鍵的抗性路徑提供可能。通過這些技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控植物基因的表達(dá)和功能,不僅加深了我們對植物抗線蟲機制的理解,還加快了植物抗病品種的開發(fā)和優(yōu)化,展現(xiàn)了其在植物線蟲病害防控研究中的巨大應(yīng)用前景和潛力。
2.2"CRISPR/Cas12系統(tǒng)在植物病原線蟲檢測中的應(yīng)用
相比于CRISPR/Cas9,CRISPR/Cas12具有一些獨特的優(yōu)勢,越來越受到研究者的青睞。首先,CRISPR/Cas12系統(tǒng)不需要tracrRNA,只需要crRNA即可靶向基因,簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和使用;其次,Cas12蛋白比Cas9更小,使其更容易包裝和輸送;特別是CRISPR/Cas12在處理AT富集區(qū)域的基因編輯時表現(xiàn)出色,因為它不需要GC序列作為原核識別位點(PAM),因此在某些特定基因組區(qū)域比Cas9更具優(yōu)勢。在涉及單鏈DNA切割和診斷應(yīng)用時,CRISPR/Cas12具有較高的切割效率和精度,使其在某些應(yīng)用中更具吸引力。CRISPR/Cas12a技術(shù)已被開發(fā)用于松材線蟲[55]以及甜菜孢囊線蟲H.schachtii[56]快速和可視化檢測。
CRISPR/Cas12技術(shù)在植物寄生線蟲與寄主互作研究中的應(yīng)用尚在起步階段。通過該技術(shù),不僅可以有效規(guī)避Cas9的專利壁壘,更能提供更精準(zhǔn)的基因功能驗證手段,幫助識別和調(diào)控與抗性相關(guān)的基因,從而為植物抗病育種和可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供支持。相信隨著更多相關(guān)研究的開展,CRISPR/Cas12系統(tǒng)有望在推動植物寄生線蟲研究和防治方面發(fā)揮更大的作用。
2.3"VIGS技術(shù)在植物與線蟲互作研究中的應(yīng)用
病毒誘導(dǎo)的基因沉默(VIGS)技術(shù)作為一種強大的反向遺傳工具,在植物與線蟲互作研究中發(fā)揮了重要作用。Kandoth等[57]利用菜豆莢斑駁病毒(bean"pod"mottle"virus,"BPMV)為基礎(chǔ)的VIGS載體,開發(fā)了一種適用于大豆根系反向遺傳研究的VIGS技術(shù),并用于分析大豆抗大豆孢囊線蟲相關(guān)的基因,為研究根系病原或共生關(guān)聯(lián)的基因提供了新工具,Liu等[58]通過BPMV介導(dǎo)的VIGS系統(tǒng)在大豆中驗證了主效抗性基因位點Rhg4中SHMT基因?qū)Υ蠖规吣揖€蟲的抗性作用表型;Zou等[59]通過煙"草"脆"裂"病"毒(tobacco"rattle"virus,TRV)介導(dǎo)的
VIGS系統(tǒng)在番茄中驗證了
茉莉酸信號通路的負(fù)調(diào)控因子JAM1通過干擾細(xì)胞自噬途徑削弱了番茄對根結(jié)線蟲的抗性,
VIGS技術(shù)在不同植物與線蟲系統(tǒng)中的成功應(yīng)用展示了其在功能基因研究中的廣泛適用性和重要性。進(jìn)一步探索和優(yōu)化VIGS技術(shù),將有助于我們更深入地了解植物與線蟲相互作用的分子機制,并為開發(fā)新的病害防控策略提供科學(xué)依據(jù)。
3"基因調(diào)控技術(shù)在植物寄生線蟲抗性中的應(yīng)用
3.1"線蟲CRISPR/Cas基因編輯的進(jìn)展、應(yīng)用及前景
得益于秀麗隱桿線蟲作為模式生物的優(yōu)點,CRISPR/Cas9系統(tǒng)在秀麗隱桿線蟲中得到了廣泛應(yīng)用。近年來,這一技術(shù)開始應(yīng)用于人類寄生線蟲Strongyloides"stercoralis的研究中,證明了CRISPR/Cas9技術(shù)在寄生性線蟲中的應(yīng)用可能性[60]。此外,利用Pristionchus"pacificus作為模型,進(jìn)行密碼子優(yōu)化和添加內(nèi)含子等操作,顯著提高了在該線蟲中CRISPR編輯轉(zhuǎn)化效率,為其他線蟲物種提供了潛在的改進(jìn)方法[61]。CRISPR/Cas9系統(tǒng)也在非寄生性線蟲Panagrolaimus"sp."PS1159中被首次成功應(yīng)用進(jìn)行基因編輯[62]。
對于植物寄生線蟲,盡管已經(jīng)有研究嘗試應(yīng)用CRISPR/Cas9技術(shù),但相比于秀麗隱桿線蟲,這些研究還處于起步階段。由于植物寄生線蟲與寄主植物存在復(fù)雜的相互作用以及在實驗室條件下難以培養(yǎng),CRISPR/Cas9技術(shù)的應(yīng)用面臨更多挑戰(zhàn)。植物寄生線蟲之所以難以進(jìn)行CRISPR/Cas9基因編輯的一部分原因可能包括:1)傳遞系統(tǒng)的局限性。Park等[63]利用顯微注射對松材線蟲進(jìn)行RNAi處理,取得了一定效果,但該技術(shù)未能在其他植物寄生線蟲中得到應(yīng)用;Kranse等[64]采用了脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染法,在甜菜孢囊線蟲和北方根結(jié)線蟲中成功進(jìn)行了外源mRNA的瞬時表達(dá)。值得注意的是,目前還沒有關(guān)于利用顯微注射技術(shù)將CRISPR/Cas9組件成功導(dǎo)入植物寄生線蟲體內(nèi)并進(jìn)行成功編輯的研究報道。2)培養(yǎng)條件的限制。植物寄生線蟲通常需要特定的寄主植物進(jìn)行培養(yǎng),這使得在實驗室環(huán)境下進(jìn)行基因編輯試驗更加復(fù)雜。3)生命歷程和生態(tài)位的特殊性。植物寄生線蟲的生命周期和生態(tài)位與自由生活線蟲大不相同,這可能影響CRISPR/Cas9編輯效率和策略的選擇。盡管存在挑戰(zhàn),植物寄生線蟲的CRISPR/Cas9研究仍具有巨大潛力,特別是在揭示寄主寄生線蟲相互作用、鑒定新的抗性基因,以及開發(fā)新型抗線蟲作物方面。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對植物寄生線蟲生物學(xué)特性更深入的理解,未來可能會有更多植物寄生線蟲的成功基因編輯案例。
3.2"植物寄生線蟲RNAi技術(shù)的進(jìn)展、應(yīng)用及前景
相較于CRISPR/Cas技術(shù),RNA干擾(RNAi)技術(shù)在植物寄生線蟲研究領(lǐng)域中的應(yīng)用更為成熟和廣泛[65]。通過向線蟲或其宿主植物中引入特定基因的雙鏈RNA(dsRNAs),可以特異性地抑制線蟲的關(guān)鍵基因,進(jìn)而抑制其生長、發(fā)育或繁殖,以減少其對植物的傷害[66]。這種方法已被證明是控制病原線蟲的有效策略,特別是在不能使用化學(xué)農(nóng)藥或其他生物控制手段(如線蟲捕食性真菌、寄生性細(xì)菌)的情況下。隨著對線蟲基因組的深入研究和RNAi遞送系統(tǒng)的不斷完善,將會不斷拓展RNAi在植物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。未來,結(jié)合傳統(tǒng)育種和基因編輯技術(shù)開發(fā)能表達(dá)特定dsRNA的轉(zhuǎn)基因作物,有望成為一種長期有效的植物病原線蟲管理方法。
3.2.1"利用RNAi技術(shù)直接改造植物寄生線蟲
RNAi技術(shù)在直接改造植物寄生線蟲方面展現(xiàn)了巨大的潛力,但其應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在植物寄生線蟲的RNAi技術(shù)應(yīng)用中,將特定基因的dsRNAs直接引入線蟲的方法包括顯微注射、用表達(dá)dsRNA的大腸桿菌進(jìn)行喂食以及將線蟲浸泡于dsRNA溶液中[67]。然而,對于植物寄生線蟲而言,采用這些方法存在一定難度。目前,通過顯微注射法向植物寄生線蟲引入dsRNA尚無成功案例,且由于植物寄生線蟲的專性寄生習(xí)性,體外飼喂方法受到限制[6465]。定居型植物寄生線蟲僅在侵染和卵期階段能在寄主體外生存,通常采用浸泡dsRNA溶液的方式實現(xiàn)dsRNAs的引入[65]。Urwin等[68]首次將線蟲浸泡在含有神經(jīng)遞質(zhì)激動劑章魚胺(octopamine)的dsRNA溶液中,成功在馬鈴薯白線蟲Globodera"pallida和大豆孢囊線蟲侵染期沉默了目標(biāo)基因。通過在浸泡溶液中添加異硫氰酸熒光素(FITC)或有熒光標(biāo)記的dsRNA,追蹤線蟲體內(nèi)dsRNA的吸收情況,結(jié)果表明,目標(biāo)基因表達(dá)下調(diào)與寄生效率降低、繁殖能力減弱、行為受抑、寄主定位能力下降等表型變化相關(guān)聯(lián)。目前,該技術(shù)已在多種線蟲中得到應(yīng)用,如孢囊線蟲、根結(jié)線蟲、球孢囊線蟲、穿孔線蟲、滑刃線蟲Aphelenchoides、根腐線蟲Pratylenchus及傘滑刃線蟲Bursa"phelenchus等屬的種群[65,6970]。
3.2.2"寄主誘導(dǎo)的基因沉默
采用寄主誘導(dǎo)的基因沉默(hostinduced"gene"silencing,"HIGS)技術(shù)來對抗線蟲的研究已取得進(jìn)展,這對于開發(fā)新型轉(zhuǎn)基因抗線蟲作物具有重要意義,原理如圖1所示。Boutla等[71]使用siRNA喂食轉(zhuǎn)GFP基因的秀麗隱桿線蟲,使線蟲中GFP的轉(zhuǎn)錄水平下降,證明了植物與線蟲之間存在相似的RNAi機制,并首次提出了在植物中表達(dá)針對線蟲基因的dsRNA以抵抗線蟲的概念。dsRNA和siRNA能從植物轉(zhuǎn)移至病原,例如植物寄生線蟲[66,7273]。在擬南芥中表達(dá)根結(jié)線蟲基因16D10的dsRNA,發(fā)現(xiàn)這些dsRNA在植物體內(nèi)被加工成siRNA,導(dǎo)致植物上根結(jié)數(shù)和產(chǎn)生的卵數(shù)顯著減少,并對包括多種根結(jié)線蟲在內(nèi)的病原物表現(xiàn)出抗性[74]。通過在大豆中引入靶向秀麗隱桿線蟲的關(guān)鍵胚胎致死基因,成功地抑制了大豆孢囊線蟲雌蟲的發(fā)育[75]。在擬南芥和馬鈴薯中表達(dá)根結(jié)線蟲基因的dsRNA,培育出抗性增強的轉(zhuǎn)基因植株。用這些植株喂養(yǎng)線蟲后線蟲體內(nèi)目標(biāo)基因表達(dá)量下調(diào),其后代類似基因的表達(dá)量也降低,揭示了寄主誘導(dǎo)基因沉默可能具有系統(tǒng)性和遺傳性的特征[76]。此外,通過寄主誘導(dǎo)沉默大豆孢囊線蟲的幾丁質(zhì)合成酶基因SCNCHS,可以廣泛且持久地增強大豆對不同大豆孢囊線蟲群體以及尖鐮孢Fusarium"oxysporum引起的大豆枯萎病的抗性,為控制大豆孢囊線蟲和枯萎病提供了一種潛在方法[77]。
3.2.3"病毒介導(dǎo)的線蟲基因沉默
病毒誘導(dǎo)的基因沉默(VIGS)技術(shù)是探索植物基因功能的常見方法,但其在動物基因功能研究中的應(yīng)用相對較少。Guo等[78]以改造后的獸棚病毒(flock"house"virus,"FHV)為載體,對攜帶GFP基因的轉(zhuǎn)基因秀麗隱桿線蟲中的GFP基因進(jìn)行了沉默,發(fā)現(xiàn)病毒產(chǎn)生的siRNA(viral"siRNA,vsiRNA)可以調(diào)控秀麗隱桿線蟲中GFP基因的表達(dá),這表明,VIGS技術(shù)不僅能沉默特定基因的表達(dá)還可能對后代產(chǎn)生遺傳性影響。VIGS在線蟲基因沉默中的成功應(yīng)用為直接沉默植物寄生線蟲相關(guān)基因提供了借鑒,在植物寄生性線蟲的研究中,病毒基因沉默技術(shù)已成為解析線蟲與宿主植物互作關(guān)系的重要工具。目前使用的VIGS技術(shù)主要依賴煙草脆裂病毒系統(tǒng),并集中在茄科植物和根結(jié)線蟲等特定宿主寄生體系統(tǒng)上[7982]。對于其他類型的線蟲,如孢囊線蟲和其他非茄科植物宿主,目前關(guān)于使用VIGS的報道相對較少。孢囊線蟲由于其與宿主植物的相互作用方式以及其生物學(xué)特性的差異,使用TRV或其他病毒作為VIGS載體可能會遇到特定的挑戰(zhàn)。除了TRV之外,已鑒定出多種能夠侵染植物寄生線蟲的病毒,例如侵染大豆孢囊線蟲的SCN"nyavirus"(ScNV)、SCN"rhabodovirus"(ScRV)、SCN"phlebovirus"(ScPV)、SCN"tenuivirus"(ScTV)、soybean"cyst"nematode"virus"5"(SbCNV5)、SCN"nyamilike"virus"(NLV)和SCN"bunyalike"virus"(BLV)[8385],以及侵染馬鈴薯孢囊線蟲的PCN"picornalike"virus"(PLV)[85]。研究如何改造這些病毒以有效地實施VIGS,將是未來重要的研究方向。
4"展望
植物寄生線蟲與寄主的互作研究正處于一個前所未有的變革期,借助于RNAi技術(shù)和CRISPR編輯技術(shù)的迅速發(fā)展,正在逐步揭開這一群體復(fù)雜生物學(xué)性質(zhì)的神秘面紗。隨著這些技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和優(yōu)化,預(yù)計未來將出現(xiàn)以下幾個研究和應(yīng)用方向,這些將極大地推動植物寄生線蟲領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用實踐。1)"多組學(xué)結(jié)合研究:隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,結(jié)合CRISPR編輯和RNAi技術(shù),將能夠更全面深入地解析線蟲與寄主植物互作的分子機制。這種多維度的研究方法將揭示線蟲侵染植物的關(guān)鍵分子事件和調(diào)控網(wǎng)絡(luò),為開發(fā)新型的抗線蟲策略提供科學(xué)依據(jù)。2)基因編輯技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用:CRISPR技術(shù)的快速演進(jìn)將進(jìn)一步擴(kuò)展其在植物寄生線蟲研究中的應(yīng)用。除了CRISPR/Cas9和Cas12系統(tǒng)外,新的CRISPR系統(tǒng)如Cas13(針對RNA的編輯)和精準(zhǔn)基因修復(fù)技術(shù)(如基因組編輯的精準(zhǔn)定點插入)的開發(fā),將為植物寄生線蟲的功能基因組學(xué)研究和抗性基因的精準(zhǔn)育種提供更多工具。3)生物信息學(xué)與人工智能的結(jié)合:隨著生物信息學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,未來寄生線蟲研究將越來越依賴于這些技術(shù)來處理和分析大量的組學(xué)數(shù)據(jù)。機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等算法將在預(yù)測線蟲的功能基因、抗性基因標(biāo)記以及寄主與病原物之間相互作用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。4)"非編碼RNA與表觀遺傳學(xué)的作用:非編碼RNA和表觀遺傳修飾在植物響應(yīng)植物寄生線蟲侵染中扮演著重要角色。未來的研究需加強對這些因素如何調(diào)控植物抗病性的探討,以及它們?nèi)绾伪恢参锖椭参锛纳€蟲所利用來調(diào)控寄主病原物之間相互作用的研究。這一領(lǐng)域的進(jìn)展將為開發(fā)新的抗線蟲策略提供新思路。5)"精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在病原線蟲管理中的應(yīng)用:精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù),包括高通量表型平臺、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等,將使我們能夠更精確地監(jiān)測植物寄生線蟲的分布和侵染情況。結(jié)合基因編輯和RNAi技術(shù),可以實現(xiàn)針對特定病原線蟲種群的定制化防控策略,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。總之,通過這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和研究,未來植物寄生線蟲的控制將更加精準(zhǔn)、高效和環(huán)境友好。這不僅將促進(jìn)植物病害管理領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步,也將為全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品安全提供堅實的支撐。
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