学术研究报告：基于植物益生菌的基因沉默技术实现对多食性害虫的可持续防控

一、研究团队与发表信息
本研究由陈静（Jing Chen）、张荣（Rong Zhang）、张珣（Xun Zhang）等来自中国林业科学研究院生态保护研究所的团队主导，合作单位包括中国民航科学技术研究院机场研究所。研究成果发表于2025年的*Trends in Biotechnology*期刊，标题为《Sustainable protection of multiple hosts against polyphagous pests using plant probiotic-based gene silencing》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于农业生物技术领域，聚焦RNA干扰（RNA interference, RNAi）技术与微生物工程的交叉应用。
研究背景：多食性害虫（polyphagous pests）如美国白蛾（*Hyphantria cunea*）能危害600余种植物，传统防控方法（如化学农药或单一宿主转基因植物）存在生态风险或局限性。RNAi技术虽能高效靶向害虫基因，但面临dsRNA（双链RNA）持久性不足、保护谱窄等问题。
研究目标：开发一种基于植物益生菌（plant probiotics）的基因沉默策略（PPGS, Plant Probiotic-Based Gene Silencing），通过工程化益生菌在多种宿主植物上定殖并递送dsRNA，实现对多食性害虫的广谱可持续防控。

三、研究流程与方法
1. 益生菌分离与鉴定
- 对象：从美国白蛾的4种宿主植物（如桑树*Morus alba*）中分离内生和附生细菌。
- 方法：通过16S rDNA、*gyrA*和*rpoB*基因测序鉴定出高转化效率的菌株Bacillus paralicheniformis SH-F8（保藏号CGMCC No. 30890）。

1. 工程菌株构建

   • 关键步骤：
     
     • 删除SH-F8的RNase III基因（*rnc*），防止其降解dsRNA。
       
     • 插入T7 RNA聚合酶和双向T7启动子系统，构建能表达靶向美国白蛾*VATPase A*基因的dsRNA的突变株SH-F8δrnc::T7dsVatpaseAT7-T7P。
       
   • 创新方法：采用等位基因交换（allelic exchange）将dsRNA表达盒整合至基因组，避免质粒丢失问题。
     

2. dsRNA表达与功能验证

   • 实验设计：比较突变株与对照株（如E. coli HT115/L4440系统）的dsRNA产量，通过喂食实验评估对美国白蛾的致死效果。
     
   • 结果：突变株dsRNA产量达1.67 μg/mL（与HT115系统相当），喂食后导致80%幼虫死亡率及蛹畸形（图4）。转录组分析显示，*VATPase A*沉默同时破坏能量代谢、表皮形成和细胞色素P450通路（图5）。
     

3. 益生菌定殖能力测试

   • 对象：桑树和杨树（*Populus alba*）叶片。
     
   • 方法：喷洒菌悬液后监测35天内菌落数（CFU/g）。
     
   • 结果：突变株在两种植物上均能稳定定殖（内定殖104–106 CFU/g，外定殖104–107 CFU/g），且在高温高湿环境下种群密度显著提升（图6, 7）。
     

四、主要研究结果
1. 工程菌株的高效杀虫效果：靶向*VATPase A*的dsRNA显著抑制害虫能量代谢，导致蛹畸形和死亡（图4）。
2. 多宿主定殖能力：SH-F8在桑树和杨树上可持续定殖超过害虫取食周期（35天），为跨宿主保护提供基础（图7）。
3. 环境适应性：菌株在20–45℃和70%湿度下生长良好，且对紫外线具有较强抗性（图6）。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次提出以植物益生菌为底盘微生物的PPGS策略，解决了RNAi在多食性害虫防控中宿主范围窄和持久性差的问题。
2. 应用价值：为林业和农业中难以轮作的生态系统（如森林）提供可持续防控方案，减少化学农药依赖。
3. 技术亮点：基因组整合dsRNA表达系统避免了质粒不稳定性，且无需IPTG诱导，适合田间应用。

六、研究创新点
1. 方法创新：开发无需质粒的dsRNA表达系统，通过基因组整合提升稳定性。
2. 策略创新：利用益生菌跨宿主定殖能力，实现多植物协同保护。
3. 发现创新：揭示*VATPase A*沉默同时破坏害虫能量代谢和表皮形成的双重机制（图5）。

七、其他重要内容
研究还指出未来需优化菌株的dsRNA表达效率，评估工程菌株的生态风险，并探索同时靶向多种害虫的潜力（如整合多重dsRNA至单一菌株）。