植物和菌类能利用保守的RNA干扰机制来互相调节基因表达，科学家认为可以利用这一现象创造出新一代的杀虫剂。
我们听不到植物的任何声音，但植物却保持着与周围环境的持续交流。在科学家研发出越来越灵敏的工具后，我们得以一窥这一现象的分子机制。科学家发现一株植物不仅仅在细胞间、在植株与周围环境间存在着交流，还能在不同的植株间，甚至有时能在不同的种与界间相互交流。实现交流的“语言”就是A、C、G和U。
我们知道，非编码RNA在细胞中被用于控制基因表达。科学家反复实验证明了蛋白质产物不仅仅会被同种个体产生的RNA影响，还会被其他不同组织中的RNA影响。近几年，研究者利用这一现象，通过远缘相关分类群间RNA的传递，选择性地抑制了菌类生长的必要基因的表达。据称，这一方法有助于抗病作物的发展。科学家在实验中发现这一跨界RNA转移是双向的：菌类也在向它们的植物宿主发送RNA“指令”，而这一“秘密行动”有助于菌类的入侵。
植物与菌类间交流的机制，依靠的是古老而历经进化考验的基因表达调控方法：RNA干扰（RNAi）。“聆听”植物与它的病原体间的RNA“对话”可以揭示未知的植物生物学知识，并制定出抵御作物病原体的新策略。科学家认为他们对RNAi的应用会先于详尽了解跨界RNAi的机制与发生频率。
植物保护
RNAi是在常规细胞进程或对外来侵入者（特别是病毒）产生反应时，细胞生长中一个相对保守的机制。细胞生产出小RNA分子，接着这些小RNA分子融合进被称作RNA诱导沉默复合体（RISC）的蛋白质中，这一蛋白质的靶点是包含了小RNA分子互补序列的信使RNA分子（mRNAs）。接着，RISC对绑定好的转录本进行切割，由此降低了基因表达。
过去10年中，科学家用实验证明了RNAi能帮助许多植物抵抗非病毒病原体。例如2007年，孟山都公司给作物加上一种RNA的基因，它以昆虫一个必需基因的转录本为靶点，由此赋予了作物抵御西部玉米根虫的能力。这种转基因作物受到的虫害更少，想必是昆虫因为摄入了干扰RNA而死亡。同时，研究小组发现这一被称作宿主诱导的基因沉默（HIGS）的方法也能抵御寄生虫。至今，有关转基因植物的实验仍在不断发现对加工改造过的RNAi易感的寄生动物。
近几年来，遗传工程师成功地利用了HIGS同致病菌株的抗争。2010年，德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所发现白粉病菌在用基因工程向宿主植物导入小RNA分子后，就易受到小RNA分子所致的RNA干扰影响。几年后，德国吉森尤斯图斯-李比希大学的卡尔-海因茨·科戈尔（Karl-Heinz Kogel）小组实验证实了用HIGS抵抗菌类对植物植株是可行的。他的团队用基因技术改造了拟南芥和大麦植株，产生小RNA分子来抑制致枯萎的真菌禾谷镰刀菌中特定基因的表达（常规杀真菌剂就是以这些真菌基因表达所产生的蛋白为目标的）。“我们没有用化学物质去直接对付这种蛋白，我们用的是小RNA分子，而目标是基因，”科戈尔说，“结果证明这种做法是相当高效的。”
实验室有关植物及其真菌类病原体的研究表明两者都可以使RNA进出对方的细胞。植物似乎是使用这些RNA分子来抵抗感染，而真菌类微生物依靠RNA分子来增强它们的传播能力。两者有相同的分子机制，用RNAi破坏对方的信使RNA，干扰基因表达，以达成它们的目标
在调整这一技术的过程中，许多研究小组都发现HIGS可以保护实验室培养的植物，使它们免受包括马铃薯晚疫病、霜霉病（可以感染莴苣）、谷物锈病和小麦叶锈病在内的一些真菌疾病的侵害。所有这些实验依据在植物与害虫中都能自然发生的RNAi机制，并使用了RISC和一些能将前体加工为小RNA分子的蛋白。加州大学河滨分校研究植物免疫的金海玲表示，HIGS在实验室中获得的成功展现了这一技术作为高效杀真菌剂的光明前景：“这些RNA可以被特别地设计成以某一病原体为靶点。而且这一设计相对简单，我们有能力一次以多个病原体为目标。”
研究者已经完成了野外实验，证实了经基因工程改造的植物能有效地传递干扰RNA来击退真菌病原体。2015年，中国的一个团队设计了一种转基因小麦，它可以产生以镰孢属枯萎病（FHB）和镰刀菌枯萎病两种真菌病原体中必需基因为目标的RNA。在武汉种植的这一转基因植物能有效抗病。（作者在研究报告中提及：这一地区是中国镰孢属枯萎病疫情最为严重的地区之一。）
“这一领域是我们必须要关注的，”孟山都全球病害治理主管约翰·皮特金（John Pitkin）表示，“在转基因植物的基因表达中，我们发现了植物与菌类间的RNA转移。但这一现象能否具有商业功效尚无定论。”
利用RNAi来保护作物
基因工程实现的RNA干扰对抗真核病原体应用正进行野外实验，这一方法又被称作宿主诱导的基因沉默（HIGS），它刚刚在其商业化的道路上启程。即使HIGS被证明在抵御致病昆虫或真菌病原体上有效，如今它的成本相对于其运用价值而言仍过于高昂，这无疑是一个难以逾越的障碍。约翰?皮特金表示，一种转基因作物的商业化会花费大约1.3亿到1.4亿美元。他还补充道：“仅仅找到一个适用HIGS的病害就是一个艰巨的任务。”换言之，我们并不清楚一种病害带来的经济负担与用RNAi抵抗这一病害的转基因作物商业化所使用的巨额消耗孰多孰少。
在德国吉森尤斯图斯-李比希大学研究HIGS的植物生物学家科戈尔还提到了公众（尤其在欧洲）对转基因作物的不安。为了实现对转基因的操控，他和他的同事测试了RNA喷雾是否可行。RNA喷雾将RNA干扰分子直接喷洒给作物，而非将小RNA分子通过转基因技术导入作物内部，这一方法被称作喷雾诱导的基因沉默（SIGS）。几个月前，科戈尔的团队报告称他们在实验中向大麦喷洒了一种长链的非编码双链RNA（它是RNAi中使用的小RNA分子的前体），靶定了他曾在2013年使用HIGS靶定并攻击的相同基因（该基因对禾谷镰刀菌下的存活率至关重要）。实验证明SIGS起了作用，这些大麦被感染的机率大大减少。
有趣的是，研究员发现RNA被植株吸收，同时还进入了真菌内，实验结果证明了RNA同样可以直接进入病原体。科戈尔说：“真菌在吸收了RNA后被杀灭，同时，植株也吸收了RNA，接着从植株内部转移再次进入了真菌体内。”他还补充说，直接由真菌吸收的RNA杀灭真菌的效率其实并不高，因此，应该是由植株吸收RNA并转入真菌的机制保证了RNA喷雾的灭真菌效果。
跨界RNAi
尽管生物技术前沿发展迅速，科学家们仍然不能确定在实验室环境中可以实现的现象能否在自然界中被重复。虽然植物细胞用RNAi对抗病毒病原体这一现象已经被发现多年，但人们仍然不清楚野外植物是否能利用RNA“雇佣军”来抵抗真菌和其他入侵的真核病原体。
几个月前，科学家发现了也许是与此有关的第一个证据，植物与真菌间的小RNA分子转移确实可以在没有基因工程的干预下发生。中国科学院植物基因组学国家重点实验室郭惠珊发现，当棉花感染了黄萎病菌这一真菌病原体后，植株体内特定的小RNA分子数量会陡然上升。这些产生的RNA抑制了病原体的两个必需基因的表达，但却促进了真菌基因的变异，使它对RNAi的抵抗力更强，毒性也因而更强。“我们在研究中得到了第一个直接证据，证明了RNA分子能从植物‘流动’到真菌细胞，使真菌细胞内的目标基因沉默。”郭惠珊在寄给《科学家》杂志的邮件中写到。
尽管作为唯一证据的郭惠珊的研究表明植物用RNAi来抵御田间的病害，植物生物学家依旧怀疑这是否是一种广泛存在的防御机制。“假设存在这样一种机制，宿主可以向寄生的病原体转移RNA，那么大自然必然会利用它去杀死病原体。”麻省大学医学院研究RNAi的菲利普·塞默（Phillip Zamore）说，“自然总是择优做出它的选择。”
“就算在实验室之外，菌类与植物间也存在小RNA分子转移，我也不会惊讶。”皮特金说，“它们在这场战争中都不择手段。”
害虫的策略
在加州大学河滨分校，研究小RNA分子与植物防御机制十多年的金海玲在得知RNAi机制存在于真核生物间后，决定换一个角度看这一问题：作为攻击植物一环的植物病虫害，是否也造出了小RNA分子来靶定宿主的基因呢？
对于许多农民而言，灰霉菌无疑是他们的克星。染上了它，植株就会被一层绒毛覆盖，接着植株的叶、茎、花和果实就会腐烂。金海玲小组让拟南芥和番茄植株感染上灰霉菌后，检测了植株叶片细胞中得到表达的RNA。“我们发现：在感染后，灰霉菌的很多小RNA分子数量大大增加，”金海玲说，“一个振奋人心的假说是，这些小RNA分子有潜能靶定宿主的基因。”
为了找出真相，她与一位生物信息学家合作，希望可以预测出灰霉菌RNA靶定的宿主基因。她设置了很高的门槛，那些小RNA分子既要符合拟南芥基因，又要符合番茄基因。金海玲表示：“即使这样，我们仍然发现了约70种可能的灰霉菌小RNA分子，它们都可以靶定拟南芥和番茄基因。”
为了弄清这些小RNA分子是否有功能意义，金海玲和她的同事们从大量的真菌RNA中选取了3种，并在拟南芥植株中进行表达。随后他们发现不仅仅植株的目标基因表达被抑制了，植株也变得更易感了。这证明了真菌通过转移小RNA分子来降低宿主的免疫能力。金海玲说：“这第一次用事实展现了跨界RNAi在真菌病原体中被用作致病手段。”
科戈尔表示：“金海玲的发现是出乎人意料的……这些在真菌中的小RNA分子与植物中mRNA的基因结构非常相似，它们通过降解破坏植株的RNA来阻止植株基因的表达。”科戈尔还提到：“只是真菌如何将它的RNA送入植株对我们来说还是个谜，它如同是一只‘黑盒’，我们难以理解它的内部机制。”
最近，金海玲还扭转了整个跨界RNAi理论，她利用基因抑制机制来“以其人之道还治其人之身”。她的团队将拟南芥和番茄植株进行了基因编辑，让它们产生一种RNA，能使DCL1蛋白（Dicer-like protein 1）这一关键RNA加工酶沉默，由此来消除灰霉菌的RNAi机制。由于真菌在向植物传送RNA之前必须用DCL1蛋白来修剪它的RNA，这一过程就如同是宿主植株向真菌的“炸弹工厂”中扔了一枚点燃的“炸弹”。实验证明这一做法行得通，真菌在转基因的宿主植株上生长得并不好。
“贩运货物”机制
跨类RNAi并不仅限于寄生物相关联的植物和组织，这一现象还发生在各种各样的生物组织间，甚至包括人类。例如在2012年，科研人员报道称人类血细胞产生的小分子RNA会被传送进入恶性疟原虫，并靶定一个目标片段，以此抑制基因表达。
同样地，线虫类寄生虫也能将RNA传送入它们的哺乳类宿主。几年前，爱丁堡大学研究RNA的艾米·巴克（Amy Buck）及她的同事们发现多形螺旋线虫（一种寄生在小鼠肠道中的蠕虫）的分泌物中包含能抑制小鼠的特定基因表达的小分子RNA，还包含Argonaute蛋白（切割mRNA的RNA诱导沉默复合体的一种），充分表现了这一分泌物的作用正是干扰接受者的基因表达。
巴克的研究结果显示了胞外囊泡可以实现组织间的RNAi转移。“这些囊泡功能性很高，能够进入宿主细胞，”巴克说，“我认为囊泡在细胞间，甚至组织间运送货物的现象无所不在，而且自远古以来就存在，只是我们一直没有注意到它。”金海玲认为植物和真菌间发生的现象也是如此。
巴克表示，外来物RNA转移中RNA分子的浓度是否足够高，能够引发对宿主的影响依然是个问题。一个组织可以产生小分子RNA，并将它们运送去另外一个组织来产生干扰现象，但是这并不代表就能对接受RNA的组织产生足够的影响。“分子数目必须要足够大才能产生作用，”塞默说，“至少每一个目标mRNA都要有相对应的干扰它的RNA。在这一点上，热力学定律是不可动摇的。”
其他吸收RNA的机制也各自起着作用。几个月前，金海玲小组发表证据，证明了灰霉菌能从环境中吸收小分子RNA和较长的双链RNA（这些正是灰霉菌生长的起点）。同样地，科戈尔也发现了人工培养的真菌能够吸收外部RNA。不过，与植物和真菌间的RNA转移一样，它的机制仍然不明。
尽管跨界RNAi的机制不明，但实验室已经把它视为了重要的实验工具。仅仅用转基因植物来控制病害组织的基因表达就为科学家找到了研究的新方向。哥本哈根大学研究免疫的汉斯·托德-克里斯坦森（Hans Thordal-Christensen）表示：他研究的真菌并不能直接进行基因编辑，但是通过HIGS，他能够顺利操纵基因表达，特别是那些在病原体感染时会分泌的效应基因。“这一方法使那些原来我们无能为力的研究成为可能。”
资料来源 The Scientist
责任编辑 彦 隐
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本文作者凯瑞·格林斯（Kerry Grens）是《科学家》杂志特约撰稿人，关注生命科学领域，斯坦福大学生物学硕士。
寄生植物
菟丝子分布在全球许多地方，它从别的植物那里吸取营养：它用它无叶的、橘黄色的茎缠绕住宿主植物，深深嵌入，形成与宿主植物维管系统的直接接触。“它看上去就像一团缠绕着的线圈和组织网。”弗吉尼亚理工学院暨州立大学研究菟丝子的吉姆·韦斯特伍德（Jim Westwood）说。
韦斯特伍德发现菟丝子和宿主植物间的物质传递就包括RNA的传递。十几年前，韦斯特伍德捕获了从番茄和南瓜植株传递到五角菟丝子的信使RNA并对它进行了测序，发现包含了宿主植株基因组中的约20个基因。很快，加州大学戴维斯分校尼莉玛·辛哈（Neelima Sinha）的小组也发现了一些从番茄植株传递到菟丝子的RNA片段，但完全理解这一机理仍然遥不可及。
随着测序价格逐渐低廉，韦斯特伍德的团队在番茄和拟南芥植株上种植菟丝子进行了实验。韦斯特伍德原先预料还有许多植株间转移的mRNA没有被早期工作所发现，也许这一次实验他就能发现几百个。结果出来后，他说：“这不单单是几百个的问题，这会是上千个。”
更令人惊讶的是，韦斯特伍德说，mRNA是双向转移的，它们也会从菟丝子转移到宿主植株。他说：“这一现象表明了RNA的转移比我们想象的要普遍得多。”但是这些转移进入的RNA序列信息对宿主植物、对寄生物与宿主的关系有什么影响仍是一个巨大的谜团。他还补充道：“我们至今没有任何证据能够证明这些RNA对宿主与寄生物之间的交互有何影响。”