在全球气候变化的背景下，粮食安全正面临前所未有的挑战。作为养活全球一半人口的主食作物，水稻的生产力直接关系到人类的生存与发展。然而，环境压力和气候变化正威胁着水稻的产量和稳定性。
近日，ng28南宫曹宇虹团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队成功利用纳米技术，显著提高高秆野生稻（Oryza alta）抗种子落粒性，为未来水稻育种带来了新的希望。该研究成果发表于《Nano Letters》杂志，题为“Improving Seed Shattering Resistance in Wild O. alta Rice with Mesoporous Silica Nanoparticle Delivery Systems”（DOI: 10.1021/ acs.nanolett. 4c02297）。
l 野生水稻的双刃剑
高秆野生稻是一种多倍体野生水稻，拥有CCDD基因组，具有生物量大、抗逆性强的特点，如耐旱、耐盐和抗病虫害等。然而，这种野生稻存在一个重大缺陷：种子易脱落。这意味着在成熟期，稻穗上的种子很容易掉落，导致收成大大减少。这一特性严重限制了高秆野生稻在农业生产中的应用。
l 传统改良方法的局限
过去，科学家们尝试通过基因工程手段，如基因敲除和基因编辑，来抑制控制种子脱落的关键基因。然而，这些方法往往会影响植物的其他重要功能。例如，敲除SH1基因会降低木质素的合成，影响植物的结构强度和对环境压力的抵抗力。
l 纳米技术的突破
为了解决这一难题，研究团队转向了纳米技术。他们使用了介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）作为载体，将小干扰RNA（siRNA）传递到高秆野生稻的细胞中。siRNA可以特异性地沉默与种子脱落相关的基因，而不对植物的其他功能产生永久性的影响。
通过叶面喷洒的方式，MSNs成功穿透了水稻叶片的蜡质层，将siRNA送入植物细胞。实验结果显示，目标基因的表达显著降低，种子脱落现象得到明显改善。更令人振奋的是，这种方法可以同时针对多个基因，实现多重基因的调控。
l 研究意义与展望
这一研究成果具有深远的意义。首先，它为改良野生水稻的种子脱落性提供了一种全新的策略，可能为提高水稻产量和稳定性做出重要贡献。其次，利用纳米载体进行基因沉默避免了传统基因改良方法的缺陷，不会对植物基因组造成永久性改变，符合对转基因作物安全性的要求。此外，这一方法的成功应用，展示了纳米技术在植物生物技术领域的巨大潜力。它为其他作物的改良提供了新的思路，有望在农业生产中发挥更大的作用。
在全球粮食需求不断增长的今天，如何提高作物的产量和抗逆性是科学家们面临的重大课题。这项研究以创新的纳米技术为手段，成功改良了野生水稻的重要性状，体现了科学创新在解决实际问题中的关键作用。我们有理由相信，随着研究的深入，纳米技术将在农业领域发挥更大的作用，为人类的粮食安全贡献力量。
图：MSN递送siRNA抑制水稻落粒的工作模式图
ng28南宫刘祝江特别研究助理和中国科学院遗传与发育生物学研究所博士毕业生张静昆为该论文共同第一作者，ng28南宫曹宇虹研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队的孟祥兵高级工程师为论文的共同通讯作者，ng28南宫为论文第一单位。中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士对本研究进行了重要指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院青年基础研究项目的资助。
论文链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02297
