Spray-Induced Gene Silencing: an innovative biotechnological tool for mitigating tree diseases caused by fungal and oomycete pathogens

Abstract

Forest diseases seriously affect natural ecosystems and plantations, causing significant economic and ecological losses. Within the Mediterranean region, some forestry species are seriously threatened by pathogenic fungi and oomycetes. Chemical control of plant pathogens has been demonstrated to have a notable ecological impact, often resulting in incomplete efficacy in disease management, and may induce the development of resistance among certain pathogens. Furthermore, the utilization of such products is prohibited within forest environments, so although some preventive measures are used, there are currently no effective methods of controlling many forest diseases. Consequently, there is a current emphasis on exploring new sustainable alternatives in plant pathology. One such alternative is spray-induced gene silencing (SIGS), which is a plant protection method based on the ability of eukaryotic organisms to uptake small RNAs from the environment that induce silencing of genes through RNA interference (RNAi). This strategy offers an environmentally friendly and sustainable option for disease control compared to chemical methods. Our research focuses on investigating the potential of SIGS in treating forest diseases, particularly those caused by Fusarium circinatum and Phytophthora cinnamomi. Double stranded RNAs (dsRNAs) have been designed to target essential genes involved in critical pathways of these pathogens, such as vesicle trafficking, transduction of the signal, cell wall biogenesis and RNAi machinery. Gene silencing through these dsRNAs provided significant protection against both pathogens across different host plants and experimental conditions. The results show that SIGS effectively reduced the virulence of F. circinatum and P. cinnamomi, representing a promising step toward its implementation in forest pathology, a field where its potential remains largely unexplored.

Las enfermedades forestales afectan gravemente a ecosistemas naturales y plantaciones, causando importantes pérdidas económicas y ecológicas. En la región mediterránea, algunas especies forestales se ven seriamente amenazadas por hongos y oomicetos patógenos. Se sabe que el control químico de patógenos vegetales tiene un impacto ecológico notable, lo que a menudo da lugar a una eficacia incompleta en la gestión de las enfermedades y puede inducir el desarrollo de resistencia entre ciertos patógenos. Además, el uso de estos productos está prohibido en los bosques, por lo que, aunque se aplican algunas medidas preventivas, en la actualidad no existen métodos eficaces para controlar muchas enfermedades forestales. Por eso, se están buscando nuevas formas de controlar las enfermedades de las plantas que sean respetuosas para el medio ambiente y eficaces. Una de estas alternativas es el silenciamiento génico inducido por pulverización (SIGS por sus siglas en inglés), un método de protección de las plantas basado en la capacidad de los organismos eucariotas para absorber pequeños ARN del ambiente que provocan el silenciamiento de genes mediante la interferencia de ARN (RNAi, por sus siglas en inglés). Esta estrategia ofrece una opción respetuosa con el medio ambiente y sostenible para el control de enfermedades, en comparación con los métodos químicos y otras medidas de control. Nuestra investigación se centra en estudiar el potencial del SIGS para tratar enfermedades forestales, en particular las causadas por Fusarium circinatum y Phytophthora cinnamomi. Hemos diseñado ARN de doble cadena (dsRNA, por sus siglas en inglés) que se dirijan a genes esenciales implicados en vías críticas de estos patógenos, como el tráfico de vesículas, la señalización celular, la biogénesis de la pared celular y el propio mecanismo de RNAi. El silenciamiento génico mediante la aplicación de estos dsRNAs proporcionó una protección significativa contra ambos patógenos en diferentes plantas y condiciones experimentales. Los resultados muestran que el SIGS redujo eficazmente la virulencia de F. circinatum y P. cinnamomi, lo que representa un paso prometedor hacia su aplicación en la patología forestal, campo en el que su potencial sigue estando mayoritariamente inexplorado.