湖南农业大学植物保护学院水稻害虫研究团队利用基因编辑鉴定出二化螟FAR基因功能, 并借助HIGS技术创造抗二化螟水稻新种质

二化螟是危害水稻的重要害虫，在我国频繁暴发成灾，严重威胁国家粮食安全。2020年农业农村部已将二化螟列入《一类农作物病虫害名录》。长期以来，过度依赖化学防治导致 “3R”问题日趋严重，亟待寻找安全、绿色、高效的害虫防控新策略。寄主介导的基因沉默技术（HIGS）是一种新的农业害虫防治方法，害虫在为害转基因作物的同时摄入外源特异dsRNA，从而诱导害虫目标基因的RNAi，引发害虫不良反应达到控制虫害的目的。

近日，湖南农业大学植物保护学院水稻害虫研究团队在国际知名期刊 Plant Biotechnology Journal（IF=13.26）上发表了题为“FAR knockout significantly inhibits Chilo suppressalis survival and transgene expression of double-stranded FAR in rice exhibits strong pest resistance”的研究论文。研究人员利用基因编辑技术鉴定了二化螟FAR基因功能, 并借助HIGS技术构建了表达dsFAR的抗二化螟水稻新材料。

研究团队长期致力于寻找基于生殖发育调控的害虫防控新策略。先前研究表明，二化螟雌蛾卵子成熟过程在蛹期完成，而FAR (fatty acyl-coenzyme A reductase)基因在二化螟蛹期高表达，研究人员首先通过RNAi实验探究该基因是否参与二化螟生殖发育过程，结果显示，该基因与卵巢发育无直接相关性。进一步采用multi-sgRNAs/Cas9基因编辑技术对二化螟FAR保守结构域进行大片段敲除，成功创建二化螟FAR突变体，结果发现敲除FAR后，G0代幼虫生长发育明显受阻，存活率显著下降，提示该基因在二化螟幼虫生长发育过程中发挥重要作用，可作为创建抗二化螟水稻新材料的靶标。同时，利用Multi-sgRNAs/Cas9基因编辑技术可在单代二化螟中完成基因功能鉴定，解决了鳞翅目昆虫难以筛选突变纯合体的问题，该技术的成功运用为鳞翅目害虫基因功能研究提供了有力的工具。

在此基础上，研究人员利用转基因工程技术成功构建了表达dsFAR的转基因水稻株系。利用Southern印迹杂交及荧光原位杂交分析表明该水稻株系可稳定表达dsFAR，Small RNA测序结果显示，dsFAR能被水稻内切酶切割为特异的siRNAs。以具有较高dsFAR表达水平的水稻株系（L#2、L#10、L#11）进行室内外饲喂生物测定实验，结果表明二化螟在取食过程中可有效吸收外源siRNAs从而高效沉默靶基因，导致其死亡率升高。更重要的是，二化螟在取食过程中对转基因株系仅造成局部组织损伤，同时也未发现转基因植株对非靶标害虫（白背飞虱）及水稻主要农艺性状和产量有不良影响。该研究成果为利用HIGS技术靶向调控二化螟生长发育的关键基因进行害虫防治奠定了基础，为二化螟综合治理提供了新的思路。

湖南农业大学水稻害虫研究团队邱林博士与李有志教授为该论文共同通讯作者，在读博士生孙颖娟为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和中国博士后基金等项目的资助。