Evaluation of nanocarriers and application methods for dsRNA delivery in Brassicogethes aeneus
Laen...
Kuupäev
2026
Kättesaadavus
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Estonian University of Life Sciences
Abstrakt
ABSTRACT. The pollen beetle (Brassicogethes aeneus) is a major pest of oilseed rape (Brassica napus), causing substantial yield losses primarily through feeding damage to flower buds before flowering. Increasing resistance to conventional insecticides and their negative effects on non-target organisms highlight the urgent need for sustainable pest control strategies. RNA interference (RNAi) has emerged as a promising alternative due to its high specificity and environmental compatibility.
This thesis evaluates the potential of RNAi for controlling B. aeneus by targeting two genes, αCOP and dre4, and by comparing naked dsRNA with nanocarrier-complexed dsRNA delivered via different feeding substrates. Initial plant-based experiments using spray-induced gene silencing (SIGS) demonstrated that even high concentrations of naked dsαCOP applied to B. napus plants did not significantly affect beetle survival, despite moderate transcript suppression. These results indicate that Hypothesis I, predicting effective pollen beetle control via SIGS, was not supported.
In contrast, naked dsαCOP delivered in sugar water induced strong, dose-dependent RNAi effects and high mortality, confirming αCOP as a highly effective target. The dre4 gene was less robust, producing significant mortality only under optimized feeding conditions. Nanocarrier-based delivery systems, including polymer-, lipid-, peptide-, and clay-based carriers, successfully protected dsRNA from degradation in gut fluid but did not consistently enhance gene silencing or mortality. Thus, Hypothesis II, which predicted increased RNAi efficacy using nanocarriers, was only partially supported, as improved stability alone was insufficient and some carriers delayed or reduced the RNAi response.
Overall, this study demonstrates that RNAi is functional in B. aeneus, with αCOP being a highly effective target when dsRNA is delivered in a bioavailable form. Delivery method strongly determines efficacy: naked dsRNA in sugar water caused high mortality, whereas SIGS via plants was ineffective. Although nanocarriers improved dsRNA stability, their biological effects were variable, and transcript knockdown did not consistently translate into mortality. These findings highlight the need to clarify dsRNA uptake mechanisms, further optimize nanocarriers for controlled dsRNA release, and develop delivery strategies effective under field conditions.
LÜHIKOKKUVÕTE. Naeri-hiilamardikas (Brassicogethes aeneus) on üks põhilisi rapsi (Brassica napus) kahjureid Euroopas ja Põhja-Ameerikas. Peamiselt vähendavad saaki valmikud, kes toituvad õiepungadest rohelise punga staadiumis. Pestitsiidide rutiinse kasutamise tõttu hiilamardika tõrjes on kahjuritel välja kujunenud resistentsus sünteetiliste insektitsiidide suhtes. Lisaks sellele avaldavad pestitsiidid negatiivset mõju kasulikele organismidele ja keskkonnale, mistõttu on tekkinud edasilükkamatu vajadus jätkusuutlikumate tõrjestrateegiate järele. RNA interferentsi (RNAi) kasutamine kahjuritõrjes on paljutõotav alternatiiv eeskätt just liigispetsiifilisuse ja keskkonnasõbralikkuse tõttu. Käesolevas töös hinnati RNAi potentsiaali naeri-hiilamardika tõrjes, kasutades kahte sihtgeeni, αCOP ja dre4. Töös võrreldi kandjateta ja nanokandjatega seotud dsRNA toimet, kasutades erinevaid manustamisviise. Esialgsed katsed, milles taimi töödeldi dsRNA spreiga (spreipõhine geenivaigistus (SIGS)), näitasid, et isegi dsαCOPi suur kontsentratsioon rapsitaimedel ei mõjuta oluliselt mardikate suremust, kuigi võis täheldada mõõdukat geenivaigistust (I, II). See lubab järeldada, et SIGS ei ole uuritud tingimustes piisavalt tõhus. Samas kutsus dsαCOPi manustamine suhkrulahuses esile tugeva ja annusest sõltuva RNAi efekti ning suure suremuse, kinnitades αCOP-i tõhusust sihtgeenina. Geen dre4 osutus ebastabiilsemaks sihtmärgiks, sest nimetamisväärne suremus ilmnes vaid optimeeritud söötmistingimustes. Nanokandursüsteemid, sealhulgas polümeer-, lipiid-, peptiid- ja savipõhised kandurid (IV, V), kaitsesid dsRNAd seedetrakti vedelikus lagunemise eest, kuid ei suurendanud järjekindlalt geenivaigistuse ulatust ega suremust. Seega on nanokandjate oletatav RNAi tõhusust suurendav mõju vaid osaline. Kokkuvõttes näitab töö, et naeri-hiilamardikate puhul RNAi toimib ning αCOP on väga tõhus sihtgeen, juhul kui dsRNA on putukale bioloogiliselt omastatav. Manustamisviis mõjutab RNAi efektiivsust väga olulisel määral: kandjateta dsRNA suhkrulahuses kutsus esile suure suremuse, samal ajal kui SIGS taimede kaudu osutus ebaefektiivseks. Kuigi nanokandjad parandasid dsRNA stabiilsust, oli nende bioloogiline mõju kõikuv ning transkripti hulga vähenemine ei viinud alati piisava suremuseni. Tulemused rõhutavad vajadust uurida edasi dsRNA omastamismehhanisme, optimeerida nanokandjaid, et dsRNA vabanemine kulgeks kontrollitult, ning arendada põllutingimustes toimivaid manustamisstrateegiaid.
LÜHIKOKKUVÕTE. Naeri-hiilamardikas (Brassicogethes aeneus) on üks põhilisi rapsi (Brassica napus) kahjureid Euroopas ja Põhja-Ameerikas. Peamiselt vähendavad saaki valmikud, kes toituvad õiepungadest rohelise punga staadiumis. Pestitsiidide rutiinse kasutamise tõttu hiilamardika tõrjes on kahjuritel välja kujunenud resistentsus sünteetiliste insektitsiidide suhtes. Lisaks sellele avaldavad pestitsiidid negatiivset mõju kasulikele organismidele ja keskkonnale, mistõttu on tekkinud edasilükkamatu vajadus jätkusuutlikumate tõrjestrateegiate järele. RNA interferentsi (RNAi) kasutamine kahjuritõrjes on paljutõotav alternatiiv eeskätt just liigispetsiifilisuse ja keskkonnasõbralikkuse tõttu. Käesolevas töös hinnati RNAi potentsiaali naeri-hiilamardika tõrjes, kasutades kahte sihtgeeni, αCOP ja dre4. Töös võrreldi kandjateta ja nanokandjatega seotud dsRNA toimet, kasutades erinevaid manustamisviise. Esialgsed katsed, milles taimi töödeldi dsRNA spreiga (spreipõhine geenivaigistus (SIGS)), näitasid, et isegi dsαCOPi suur kontsentratsioon rapsitaimedel ei mõjuta oluliselt mardikate suremust, kuigi võis täheldada mõõdukat geenivaigistust (I, II). See lubab järeldada, et SIGS ei ole uuritud tingimustes piisavalt tõhus. Samas kutsus dsαCOPi manustamine suhkrulahuses esile tugeva ja annusest sõltuva RNAi efekti ning suure suremuse, kinnitades αCOP-i tõhusust sihtgeenina. Geen dre4 osutus ebastabiilsemaks sihtmärgiks, sest nimetamisväärne suremus ilmnes vaid optimeeritud söötmistingimustes. Nanokandursüsteemid, sealhulgas polümeer-, lipiid-, peptiid- ja savipõhised kandurid (IV, V), kaitsesid dsRNAd seedetrakti vedelikus lagunemise eest, kuid ei suurendanud järjekindlalt geenivaigistuse ulatust ega suremust. Seega on nanokandjate oletatav RNAi tõhusust suurendav mõju vaid osaline. Kokkuvõttes näitab töö, et naeri-hiilamardikate puhul RNAi toimib ning αCOP on väga tõhus sihtgeen, juhul kui dsRNA on putukale bioloogiliselt omastatav. Manustamisviis mõjutab RNAi efektiivsust väga olulisel määral: kandjateta dsRNA suhkrulahuses kutsus esile suure suremuse, samal ajal kui SIGS taimede kaudu osutus ebaefektiivseks. Kuigi nanokandjad parandasid dsRNA stabiilsust, oli nende bioloogiline mõju kõikuv ning transkripti hulga vähenemine ei viinud alati piisava suremuseni. Tulemused rõhutavad vajadust uurida edasi dsRNA omastamismehhanisme, optimeerida nanokandjaid, et dsRNA vabanemine kulgeks kontrollitult, ning arendada põllutingimustes toimivaid manustamisstrateegiaid.
Kirjeldus
Doctoral Thesis in joint degree of in Agriculture (EMÜ) and Bioscience Engineering (UGent).
Doktoritöö põllumajandusteaduse (EMÜ) ja Biotehnoloogia erialal (UGent).
Doktoritöö põllumajandusteaduse (EMÜ) ja Biotehnoloogia erialal (UGent).
Märksõnad
RNAi, oilseed rape, pollen beetle, pest management, dissertations
Viide
Kallavus, T. (2026). Evaluation of nanocarriers and application methods for dsRNA delivery in Brassicogethes aeneus [Estonian University of Life Sciences]. https://doi.org/10.15159/EMU.171