基于纳米材料和E75基因双链RNA的橘小实蝇不育技术研究

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橘小实蝇Bactrocera dorsalis(Hendel)是分布范围很广,特别是在东亚地区普遍发生危害很严重的世界性害虫,在我国严重影响了农业发展和经济增长步伐。因此,发展针对橘小实蝇的绿色防控措施对农业生产具有重要意义。昆虫不育技术(Sterile Insect Technique,SIT)是一种物种特异性和环境友好型的有害生物管理策略,在害虫防治尤其实蝇治理中广泛应用。然而,传统辐射不育容易导致不育雄虫的生态适应力差、交配竞争能力下降。基于RNA干扰(RNA Interference,RNAi)的SIT可为传统的辐射不育技术提供可替代的绝育方法,在不影响雄虫交配能力和寿命的情况下获得不育雄虫。饲喂法RNAi能引起基因沉默,但直接饲喂的dsRNA递送效率有限,利用纳米材料包裹dsRNA能够显著提高RNAi效率。因此,筛选高效的雄性不育相关基因并建立有效的dsRNA递送系统可为基于RNAi的橘小实蝇雄性不育技术奠定基础。蜕皮激素信号途径参与调节雄虫生殖发育,在黑腹果蝇Drosophila melanogaster等昆虫的雄性生殖干细胞的维持、精子的产生及运输等重要生殖进程中发挥作用。本研究首先通过RNAi技术从蜕皮激素信号途径中筛选高效的橘小实蝇雄虫生殖相关基因;使用成本低廉的纳米材料构建纳米载体递送dsRNA体系;通过观察精巢发育、雌虫产卵量和孵化率等明确其对橘小实蝇雄虫生殖力的影响;最后利用温室实验检测了纳米载体递送dsRNA体系的田间模拟防治效果。主要结果如下:1)雄性不育关键基因的筛选通过注射法RNAi结合产卵量和孵化率两个生殖力指标,从蜕皮激素信号途径关键基因Ec R、USP、E74、E75、HR3和βFtz-F1共6个候选基因中筛选出最具应用潜力的雄性不育关键基因E75。敲降橘小实蝇雄虫E75基因,与其交配的雌虫产卵量(dsE75组147.0粒vs.dsEGFP组283.7粒)和孵化率(dsE75组39%vs.dsEGFP组79%)较对照组显著下降。2)纳米载体递送dsRNA体系的构建分别使用纳米载体壳聚糖(CS)、壳聚糖-三聚磷酸钠(CS-TPP)、星型阳离子聚合物(SPc)负载HT115表达的dsE75,采用动态光散射技术和扫描电镜对纳米颗粒复合物进行表征,并使用3种纳米材料负载dsE75进行饲喂法RNAi。结果表明,CS-TPP-dsRNA和SPc-dsRNA性质较优,表现在粒径均一且分散性好;并能显著提高RNAi效率,使用CS-TPP和SPc两种纳米材料递送dsRNA,饲喂法RNAi效率从28.39%分别提高到62.46%和51.05%,两组间无显著差异。因此,选择CS-TPP和SPc开展下一步实验。3)纳米载体负载dsE75显著影响橘小实蝇雄虫生殖力CS-TPP和SPc分别包裹dsE75后,对橘小实蝇雄虫实施饲喂法RNAi,观察精巢发育并检测生殖力。结果表明,干扰E75后的橘小实蝇雄虫精巢出现白化、畸形等形态异常;精子活力显著下降、精子数量下降;交配后雌虫产卵量和孵化率显著降低。其中,dsEGFP组、dsE75组、CS-TPP-dsE75组和SPc-dsE75组精巢形态异常比例分别为0、25%、37.5%和50%;单雌产卵总量分别为278.1粒、168.9粒、131.6粒和85.1粒;孵化率分别为:74.48%、39.2%、27.5%和29.16%。以上结果表明,添加纳米材料显著提高了RNAi效率和雄性不育程度。4)E75基因RNA制剂的田间模拟防治CS-TPP和SPc分别包裹dsE75后进行田间防治的模拟实验。结果表明,两种纳米材料的添加均显著减少了橘小实蝇子代幼虫数量,且两组间无显著差异。CS-TPP-dsE75处理组较CS-TPP-dsEGFP对照组后代幼虫数量减少60%;SPc-dsE75较SPc-dsEGFP对照组后代幼虫数量减少54%。以上结果表明添加纳米材料负载雄性不育基因的dsRNA制剂具备有效控制橘小实蝇种群数量的应用潜力。综上所述,本研究使用CS-TPP和SPc两种纳米材料递送雄性不育基因E75的dsRNA,均能显著提高饲喂法RNAi效率,处理组生殖力显著下降,能够达到控制橘小实蝇种群数量的目的。本研究不仅为昆虫不育技术奠定了理论基础,而且为橘小实蝇绿色可持续治理提供了实践指导。
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