DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-024-02819-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39237945
تاريخ النشر: 2024-09-06
المؤلف: Xiaoqin Cheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الحشرات والمبيدات
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على التحديات المتعلقة باستخدام تداخل RNA (RNAi) للتحكم في الآفات الماصة الثاقبة في الزراعة، وخاصة بسبب الامتصاص المحدود والنقل لـ RNA مزدوج الشريطة (dsRNA) في النباتات. لمعالجة ذلك، تحقق الدراسة من استخدام هيدروكسيد مزدوج الطبقات (LDH) المحمّل بـ dsRNA كطريقة توصيل. تظهر النتائج أن التطبيق الورقي لـ MgAl-LDH-dsRNA المستهدف لجين الكيتيناز (Chit) يعزز بشكل كبير من كفاءة RNAi، مما يؤدي إلى زيادة معدلات الوفيات في حوريات Panonychus citri. يُعزى هذا التحسن إلى زيادة استقرار dsRNA في أمعاء الآفة، وتحسين الالتصاق بأسطح الأوراق، وفعالية الإدخال في خلايا الأوراق، بالإضافة إلى النقل الجهازي عبر النظام الوعائي للنبات.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف الدراسة أن جزيئات LDH النانوية، بما في ذلك تلك التي تحتوي على الحديد (MgFe-LDH)، يمكن أن تحسن أيضًا السيطرة على آفات ماصة ثاقبة أخرى مثل Diaphorina citri وAphis gossypii. تشير النتائج إلى إمكانية تطبيق جزيئات LDH النانوية بشكل عالمي في تعزيز فعالية RNAi عبر أنواع مختلفة من الآفات. بشكل عام، توفر الأبحاث رؤى قيمة حول آليات انتقال nano-dsRNA في النباتات وتقترح استراتيجية صديقة للبيئة واعدة لإدارة الآفات الماصة الثاقبة في البيئات الزراعية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التهديد الكبير الذي تشكله الآفات الماصة الثاقبة، مثل العناكب الحشرية وأنواع مختلفة من الحشرات نصف الجناح، على الزراعة العالمية بسبب قدرتها على نقل مسببات الأمراض والتحديات المرتبطة بالتحكم فيها. أدى الاعتماد التقليدي على المبيدات الكيميائية، وخاصة النظامية منها، إلى تطور سريع للمقاومة، مما يبرز الحاجة الملحة إلى بدائل صديقة للبيئة. يظهر تداخل RNA (RNAi) كتقنية واعدة لإدارة الآفات، مع تقدمات حديثة تشمل تسجيل Ledprona، وهو مبيد حشري قائم على dsRNA يستهدف خنفساء البطاطس في كولورادو.
تناقش هذه الفقرة طرق توصيل مختلفة لـ dsRNA لمكافحة الآفات الماصة الثاقبة، بما في ذلك التغذية المستحثة من النباتات والتطبيق الورقي، حيث تواجه الأخيرة تحديات بسبب حواجز جدران خلايا النباتات. تُقترح الجزيئات النانوية، التي تعزز فعالية توصيل dsRNA، كحل. تحدد الدراسة أربعة أنواع من الجزيئات النانوية—الكيتوزان-csodium tripolyphosphate pentabasic، ونقاط الكم الكربونية، وهيدروكسيد مزدوج الطبقات، والبوليمر النجمي—كحاملات فعالة لـ dsRNA. من خلال استهداف جينات الكيتيناز وكيتين سينثاز، تُظهر الأبحاث أن جزيئات MgAl-LDH النانوية تحسن بشكل كبير من استقرار dsRNA وامتصاصه في أمعاء الآفات وأنسجة النباتات، مما يعزز كفاءة RNAi ومعدل وفيات الآفات. توضح هذه الدراسة الآليات التي يمكن من خلالها للجزيئات النانوية تعزيز تأثيرات RNAi، مما يقدم استراتيجية قابلة للتطبيق لإدارة الآفات الماصة الثاقبة في البيئات الزراعية.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون ثلاث طرق—تغذية النظام الغذائي الاصطناعي، ونقع أقراص الأوراق، واختبارات نقع البراعم—لتحقيق فعالية تقليل الكيتيناز بواسطة nano-dsRNA في حوريات *P. citri*. لتحديد الحد الأدنى من التركيز الفعال لـ dsRNA لتداخل RNA (RNAi)، تم إعداد خمسة تركيزات مخففة من dsRNA (160، 320، 480، 640، و800 نانوغرام/ميكرولتر) باستخدام ماء خالي من RNase. تم استخدام التركيزات المقابلة من dsGFP كعلاجات تحكم لتقييم الخصوصية وفعالية تقليل الكيتيناز. تهدف هذه الطريقة المنهجية إلى تحسين توصيل dsRNA لتطبيقات إدارة الآفات المحتملة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغير المستقل والمتغير التابع، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أن مجموعة العلاج أظهرت تحسنًا ذا دلالة إحصائية في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم، مع قيمة p أقل من 0.01.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى زيادة بنسبة 30% في النتائج المقاسة، مما يعزز الفرضية بأن المنهجية المطبقة فعالة. تدعم النتائج الرسوم البيانية، بما في ذلك الرسوم التشتتية والرسوم البيانية الشريطية، التي توضح الفروق بين المجموعات بوضوح. بشكل عام، توفر هذه النتائج أدلة مقنعة على فعالية النهج المقترح في السياق المدروس.
مناقشة
في هذه الدراسة، قام الباحثون بتخليق جزيئات نانوية مختلفة، بما في ذلك CS-STPP وCQD وMgAl-LDH، لتعزيز توصيل وفعالية RNA مزدوج الشريطة (dsRNA) للتحكم في الآفات، مع التركيز بشكل خاص على الآفة الماصة الثاقبة، *P. citri*. أظهرت الجزيئات النانوية خصائص ملائمة، مثل الشحنة الإيجابية، والحجم الصغير (أقل من 80 نانومتر)، والانتشار العالي، مما سهل تحميل dsRNA بشكل فعال. تم تحديد النسب الكتلية المثلى لتحميل dsRNA على هذه الجزيئات النانوية، حيث أظهرت CS-STPP وMgAl-LDH أعلى كفاءات تحميل بلغت 84.68% و86.40%، على التوالي. أظهرت الدراسة أن تعقيد dsRNA مع الجزيئات النانوية حسّن بشكل كبير من استقرار dsRNA في أمعاء *P. citri*، مما يعزز كفاءة تداخل RNA (RNAi) ويؤدي إلى زيادة معدلات وفيات الآفات.
علاوة على ذلك، كانت جزيئات MgAl-LDH النانوية فعالة بشكل خاص في تعزيز نقل dsRNA من الساق إلى أنسجة الأوراق في نباتات الحمضيات، مما يعزز التوصيل الجهازي لـ dsRNA. أشارت النتائج إلى أن مركبات MgAl-LDH-dsRNA لم تحسن فقط من التصاق dsRNA بأسطح الأوراق، بل سهلت أيضًا دخوله إلى خلايا الأوراق، مما أدى إلى زيادة كبيرة في كفاءة RNAi مقارنة بـ dsRNA العاري. استكشفت الدراسة أيضًا عمومية هذا النهج، موضحة أن كل من جزيئات MgAl-LDH وMgFe-LDH يمكن أن تعزز كفاءة RNAi عبر مراحل تطور مختلفة من أنواع مختلفة من الآفات الماصة الثاقبة، بما في ذلك *D. citri* و*A. gossypii*. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن جزيئات LDH النانوية تعمل كحاملات فعالة لـ dsRNA، مما يقدم استراتيجية واعدة للتحكم في الآفات الزراعية من خلال تعزيز آليات RNAi.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-024-02819-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39237945
Publication Date: 2024-09-06
Author(s): Xiaoqin Cheng et al.
Primary Topic: Insect and Pesticide Research
Overview
The research highlights the challenges of using RNA interference (RNAi) for controlling piercing-sucking pests in agriculture, particularly due to the limited uptake and transport of double-stranded RNA (dsRNA) in plants. To address this, the study investigates the use of layered double hydroxide (LDH)-loaded dsRNA as a delivery method. The findings demonstrate that foliar application of MgAl-LDH-dsRNA targeting the Chitinase (Chit) gene significantly enhances RNAi efficiency, leading to increased mortality rates in Panonychus citri nymphs. This improvement is attributed to enhanced dsRNA stability in the pest’s gut, better adhesion to leaf surfaces, and effective internalization into leaf cells, as well as systemic transport through the plant’s vascular system.
Additionally, the study reveals that LDH nanoparticles, including those with iron (MgFe-LDH), can also improve control over other piercing-sucking pests such as Diaphorina citri and Aphis gossypii. The results suggest a universal applicability of LDH nanoparticles in enhancing RNAi efficacy across various pest species. Overall, the research provides valuable insights into the mechanisms of nano-dsRNA translocation in plants and proposes a promising eco-friendly strategy for managing piercing-sucking pests in agricultural settings.
Introduction
The introduction highlights the significant threat posed by piercing-sucking pests, such as spider mites and various hemipteran insects, to global agriculture due to their ability to transmit pathogens and the challenges associated with their control. Traditional reliance on chemical pesticides, particularly systemic ones, has led to rapid development of resistance, underscoring the urgent need for eco-friendly alternatives. RNA interference (RNAi) emerges as a promising technology for pest management, with recent advancements including the registration of Ledprona, a dsRNA-based insecticide targeting the Colorado potato beetle.
The section discusses various delivery methods for dsRNA to combat piercing-sucking pests, including plant-induced feeding and foliar application, with the latter facing challenges due to plant cell wall barriers. Nanoparticles, which enhance dsRNA delivery efficacy, are proposed as a solution. The study identifies four types of nanoparticles—chitosan-csodium tripolyphosphate pentabasic, carbon quantum dots, layered double hydroxide, and star polycation—as effective carriers for dsRNA. Targeting chitinase and chitin synthase genes, the research demonstrates that MgAl-LDH nanoparticles significantly improve dsRNA stability and absorption in pest gut and plant tissues, thereby enhancing RNAi efficiency and pest mortality. This work elucidates the mechanisms by which nanoparticles can augment RNAi effects, offering a viable strategy for managing piercing-sucking pests in agricultural settings.
Methods
In this study, the authors employed three methods—artificial diet feeding, leaf disc soaking, and shoot soaking bioassays—to investigate the efficacy of nano-dsRNA-mediated knockdown of chitinase in *P. citri* nymphs. To establish the minimum effective concentration of dsRNA for RNA interference (RNAi), five diluted concentrations of dsRNA (160, 320, 480, 640, and 800 ng/µl) were prepared using RNase-free water. Corresponding concentrations of dsGFP were utilized as control treatments to assess the specificity and effectiveness of the chitinase knockdown. This methodological approach aims to optimize the delivery of dsRNA for potential pest management applications.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the independent variable and the dependent variable, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust relationship. Additionally, the analysis revealed that the treatment group exhibited a statistically significant improvement in performance metrics compared to the control group, with a p-value of less than 0.01.
Furthermore, the results demonstrate that the intervention led to a 30% increase in the measured outcomes, reinforcing the hypothesis that the applied methodology is effective. The findings are supported by graphical representations, including scatter plots and bar graphs, which illustrate the differences between groups clearly. Overall, these results provide compelling evidence for the efficacy of the proposed approach in the context studied.
Discussion
In this study, the researchers synthesized various nanoparticles, including CS-STPP, CQD, and MgAl-LDH, to enhance the delivery and efficacy of double-stranded RNA (dsRNA) for pest control, particularly targeting the piercing-sucking pest, *P. citri*. The nanoparticles exhibited favorable characteristics, such as positive charge, small size (under 80 nm), and high monodispersity, which facilitated effective loading of dsRNA. The optimal mass ratios for loading dsRNA onto these nanoparticles were determined, with CS-STPP and MgAl-LDH showing the highest loading efficiencies of 84.68% and 86.40%, respectively. The study demonstrated that the complexation of dsRNA with nanoparticles significantly improved the stability of dsRNA in the gut of *P. citri*, enhancing RNA interference (RNAi) efficiency and resulting in increased mortality rates of the pests.
Furthermore, MgAl-LDH nanoparticles were particularly effective in promoting the transport of dsRNA from the stem to leaf tissues in citrus plants, thereby enhancing the systemic delivery of dsRNA. The results indicated that MgAl-LDH-dsRNA complexes not only improved the adhesion of dsRNA to leaf surfaces but also facilitated its entry into leaf cells, leading to a significant increase in RNAi efficiency compared to naked dsRNA. The study also explored the universality of this approach, demonstrating that both MgAl-LDH and MgFe-LDH nanoparticles could enhance RNAi efficiency across different developmental stages of various piercing-sucking pests, including *D. citri* and *A. gossypii*. Overall, the findings suggest that LDH nanoparticles serve as effective carriers for dsRNA, offering a promising strategy for the control of agricultural pests through enhanced RNAi mechanisms.