近日，西南大學(xué)孫現(xiàn)超教授、黃進教授與法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）Alberto Bianco 教授合作，在材料科學(xué)頂級期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一區(qū)TOP，IF=19）、生物學(xué)頂級期刊《Plant Biotechnology Journal》（中科院一區(qū)TOP，IF=10.5）以及農(nóng)林科學(xué)頂級期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（中科院一區(qū)TOP，IF=6.2）上發(fā)表系列研究成果，系統(tǒng)報道了離子型納米農(nóng)藥在植病害防控中的重要進展。研究深入揭示了不同離子型納米農(nóng)藥的抗病原機制及其誘導(dǎo)植物抗性的分子機制，為綠色高效植物保護提供了新策略。
植物病害廣泛存在于全球各類作物中，每年造成約10%~20%的農(nóng)作物減產(chǎn)，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計，全球每年因此損失超過2200億美元，嚴(yán)重威脅糧食安全與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。隨著氣候變化和農(nóng)業(yè)集約化的推進，植物病害的發(fā)生頻率和傳播范圍不斷擴大，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對植物病害，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用化學(xué)農(nóng)藥、生物防控、抗病品種選育等綜合措施進行防治。然而，傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥雖然在短期內(nèi)具有一定效果，但存在防治效率逐年下降、病原微生物耐藥性增強的問題，且過度使用會對土壤、水體及非靶標(biāo)生物造成環(huán)境污染與生態(tài)風(fēng)險。生物防控和抗病育種雖然更加綠色安全，但在實際應(yīng)用中仍面臨作用慢、適用范圍有限等挑戰(zhàn)。因此，如何實現(xiàn)高效、可持續(xù)、環(huán)境友好的植物病害防治，已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟需突破的關(guān)鍵問題。
金屬離子是植物正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，參與多種酶促反應(yīng)、光合作用及抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)。近年來，金屬離子在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛用于調(diào)控植物代謝、增強抗逆性以及防治病原微生物。特別是Zn2+和Mn2+，在抑制植物病原菌、激活植物防御反應(yīng)、促進根系生長和光合效率等方面表現(xiàn)出關(guān)鍵作用。但作為植物必須的微量元素，Zn2+和Mn2+雖在促進植物生長發(fā)育及增強抗病性方面具有重要作用，但其過量施用可能對植物造成毒害，限制了其在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。因此，如何在降低施用劑量的同時提升Zn2+和Mn2+在植物體內(nèi)的生物利用效率，已成為該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。針對上述挑戰(zhàn)，西南大學(xué)孫現(xiàn)超教授與黃進教授團隊提出了一種基于纖維素納米晶（CNC）的新型離子型納米農(nóng)藥構(gòu)建策略。該策略利用CNC優(yōu)異的長徑比和穿透能力作為載體，結(jié)合聚多巴胺（PDA）對金屬離子的良好螯合作用，制備出PDA@Zn2+或PDA@Mn2+復(fù)合物，并通過氫鍵作用將其穩(wěn)定負載于CNC表面，最終構(gòu)建出表面富含Zn2+或Mn2+的離子型納米農(nóng)藥CNC@PDA@Zn2+與CNC@PDA@Mn2+并用于植物病害防治。
工作一：CNC@PDA@Zn2+通過增強Zn2+吸收與再分配，調(diào)控植物免疫
植物病毒，特別是煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus, TMV），廣泛侵染多種重要經(jīng)濟作物，嚴(yán)重威脅全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全與作物產(chǎn)量穩(wěn)定。傳統(tǒng)的化學(xué)防控手段因其防治效果有限、抗藥性發(fā)展迅速及環(huán)境殘留問題，已難以滿足可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。近年來，誘導(dǎo)植物自身免疫、激活系統(tǒng)性獲得性抗性（systemic acquired resistance, SAR）逐漸成為病毒病綠色防控的研究熱點和重要策略。孫現(xiàn)超教授團隊前期研究（Wang et al., Pesticide Biochemistry and Physiology, 2022, 184, 105100）已證實，Zn2+可通過調(diào)控細胞代謝與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，增強植物免疫反應(yīng)，進而顯著提升植物對TMV的抗性，揭示了Zn2+在誘導(dǎo)植物抗病性方面的潛力。然而，在研究中發(fā)現(xiàn)Zn2+在植物中的利用效率較低，仍需較高劑量才能實現(xiàn)有效防控，限制了其在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。為提升Zn2+的利用效率，孫現(xiàn)超教授與黃進教授團隊深入解析了CNC@PDA@Zn2+在植物體內(nèi)促進Zn2+高效轉(zhuǎn)運與精準(zhǔn)再分配、從而誘導(dǎo)系統(tǒng)性抗性的作用機制。相關(guān)成果以題為“High-permeability cellulose nanocrystals mediate systemic zinc redistribution through nsLTP2-dependent immune potentiation in plants”發(fā)表在生物學(xué)頂刊《Plant Biotechnology Journal》上。
研究發(fā)現(xiàn)CNC@PDA@Zn2+的具有極強的抗病毒能力。僅在鋅離子有效濃度為44 μg/mL時就可完全TMV-GFP對植物的侵染（Figure 1）。
Figure 1: The effect of CNC@PDA@Zn2+ on TMV-GFP infection in vivo.
進一步研究發(fā)現(xiàn)，CNC@PDA@Zn2+可進入葉片細胞并在根、莖、葉中高效積累Zn2+（Figure 2）。揭示了CNC@PDA@Zn2+既提升了鋅供應(yīng)，又未引發(fā)毒性，具有良好的系統(tǒng)運輸能力和安全性。另外，轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明，CNC@PDA@Zn2+可誘導(dǎo)多種Zn2+結(jié)合蛋白（如超氧化物歧化酶 SOD）的表達并顯著增強其酶活性（Figure 3a-c）。同時，該材料顯著上調(diào)非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白 nsLTP2 的表達，并促使其亞細胞定位轉(zhuǎn)移至葉綠體和胞外區(qū)域（Figure 3d-g），表明CNC@PDA@Zn2+可通過激活nsLTP2介導(dǎo)的免疫通路，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生廣譜抗性。
Figure 2：Translocation of CNC@PDA@Zn2+ in N. benthamiana.
Figure 3:CNC@PDA@Zn2+ alters nsLTP2 expression
綜上所述，研究表明CNC@PDA@Zn2+可依托CNC優(yōu)異的滲透性，實現(xiàn)Zn2+在植物體內(nèi)的高效運輸與精準(zhǔn)分配。同時通過調(diào)控nsLTP2的表達及亞細胞定位，激活水楊酸依賴的系統(tǒng)性抗性通路，從而協(xié)同增強植物的抗病毒能力與鋅營養(yǎng)調(diào)控效果。
工作二：CNC@PDA@Mn2+激發(fā)自噬，誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性
錳（Mn）不僅是植物光合作用、能量代謝及酶活化等基本生理過程中不可或缺的營養(yǎng)元素，近年來研究還揭示其在植物抗病中的關(guān)鍵作用，尤其是在調(diào)控氧化應(yīng)激反應(yīng)方面。例如，外源Mn2+可顯著增強番茄和豆科植物中抗氧化酶的活性，從而提升其對根腐病等病原菌的抵抗力，表明Mn2+在誘導(dǎo)植物防御反應(yīng)中具有重要潛力。然而，關(guān)于Mn2+是否能夠誘導(dǎo)植物系統(tǒng)性抗性，尤其是其在植物抗病毒中的功能及機制，目前仍缺乏系統(tǒng)研究。相較而言，Mn2+在動物體內(nèi)的免疫調(diào)控功能已被廣泛揭示，研究表明Mn2+可通過激活胞質(zhì)DNA傳感器cGAS及其下游適配蛋白STING，顯著增強抗病毒免疫反應(yīng)。此外，MnCl2處理能顯著提升細胞對單純皰疹病毒1型和水泡性口炎病毒的抵抗力。與此同時，Mn2+還可誘導(dǎo)保護性自噬反應(yīng)，促進ROS積累和線粒體自噬，增強細胞穩(wěn)態(tài)和抗壓能力，甚至提升化療和免疫治療的協(xié)同效果。這些機制為Mn2+可能在植物中調(diào)控抗病毒免疫提供了啟發(fā)。
盡管Mn2+在動物抗病毒研究中已顯示出顯著效果，但其在植物抗病毒中的作用及相關(guān)機制仍未被明確，研究尚屬空白。鑒于此，系統(tǒng)揭示Mn2+在植物抗病毒中的功能及其潛在的信號調(diào)控路徑具有重要的理論意義與應(yīng)用前景。針對該問題，孫現(xiàn)超教授、黃進教授與法國科學(xué)院Alberto Bianco院士團隊首次證實了Mn2+及其復(fù)合材料（CNC@PDA@ Mn2+）在植物中的顯著抗病毒效應(yīng)。機制研究表明，CNC@PDA@ Mn2+可通過上調(diào)抗病相關(guān)基因NbHin1的表達，進一步激活植物自噬通路，進而誘導(dǎo)系統(tǒng)性抗性，實現(xiàn)對多種植物病毒的廣譜抑制。這一發(fā)現(xiàn)為Mn2+在植物病毒防治中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，并為開發(fā)新型綠色植保策略提供了創(chuàng)新思路。該工作以題為“Manganese-Enhanced Nanopesticides Augment Plant Resistance against Viral Infection via an Untapped Macroautophagy Pathway”在材料科學(xué)頂級期刊《Advanced Functional Materials》上成功發(fā)表。
在本研究中，作者證實CNC@PDA@Mn2+ (CPM)能夠在植物葉片細胞中富集，其相較于游離態(tài)Mn2+對病毒粒子具有更強的破壞能力。該材料可通過直接破壞病毒粒子的結(jié)構(gòu)，有效削弱植物病毒的感染能力（Figure 1）。
Figure 1：CPM affects the morphology of TMV particles, and pretreatment of TMV with CPM reduces TMV infectivity in N. benthamiana.
此外，研究還揭示了CPM在植物體內(nèi)釋放Mn2+的機制。當(dāng)該材料富集于植物細胞后，細胞內(nèi)的微酸性環(huán)境（如液泡）可削弱PDA中兒茶酚基團與Mn2+之間的配位作用，從而促進Mn2+的釋放（Figure 2）。同時，釋放的Mn2+可與超氧化物歧化酶（SOD）反應(yīng)生成H2O2，后者又可進一步加速PDA的降解，形成一個正反饋機制，持續(xù)增強Mn2+的釋放效率。
Figure 2：CPM enrichment in plant vacuoles and its controlled Mn2+ release efficiency.
進一步研究表明，CPM可在植物體內(nèi)顯著增強抗病相關(guān)酶（如SOD和POD）的活性。其中，CPM激活的SOD產(chǎn)生的H2O2可能作為關(guān)鍵信號分子，通過亞砜化修飾轉(zhuǎn)錄因子CCA1 Hiking Expedition（CHE），增強其對抗病基因NbHin1啟動子的結(jié)合能力，從而上調(diào)NbHin1的表達。該基因的上調(diào)進一步協(xié)調(diào)激活以NbHin1為核心的巨自噬通路，進而觸發(fā)多種抗病毒防御反應(yīng)，有效抑制煙草花葉病毒（TMV）、蕪菁花葉病毒（TuMV）和馬鈴薯Y病毒（PVY）等多種植物病毒的侵染。
Figure 3：Alteration of Hin1 expression levels in response to nanopesticide exposure.
在本研究中，作者構(gòu)建了一種以CNC為載體、PDA螯合Mn2+的新型納米農(nóng)藥（CPM），實現(xiàn)了Mn2+的高效遞送與安全應(yīng)用，并首次將其成功用于植物抗病毒。該材料可在葉片中富集，表面Mn2?通過破壞病毒結(jié)構(gòu)抑制感染，并在細胞內(nèi)酸性或H2O2刺激下持續(xù)釋放Mn2+，兼具促生長與環(huán)境響應(yīng)功能。此外，CPM還能激活SOD產(chǎn)生活性氧，誘導(dǎo)CHE調(diào)控NbHin1表達并啟動自噬通路，增強植物系統(tǒng)性抗病毒免疫（Figure 4）。本研究不僅開發(fā)了高效抗病毒納米平臺，也揭示了Mn2+參與植物免疫的新機制。
Figure 4：Schematic illustrating the synthesis of CPM (CNC@PDA@Mn2+) and its mechanism of enhancing plant antiviral resistance.
工作三：CNC@PDA@Zn2+增強Zn2+對卵菌無性繁殖的抑制作用
植物卵菌是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域極具破壞性的病原體，能引發(fā)多種嚴(yán)重植物病害，導(dǎo)致作物大面積枯萎和產(chǎn)量銳減。例如，馬鈴薯晚疫病的爆發(fā)曾引發(fā)19世紀(jì)愛爾蘭大饑荒，造成廣泛的糧食危機，充分暴露了卵菌對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和全球糧食安全的重大威脅。目前，植物卵菌的防治主要依賴化學(xué)農(nóng)藥，但長期使用容易導(dǎo)致病原產(chǎn)生耐藥性，降低防控效果。近年來研究表明，孢子是卵菌傳播和感染的關(guān)鍵來源，抑制其無性繁殖過程，尤其是孢子囊的形成與孢子的釋放，對于有效防控病害至關(guān)重要。近些年來，Zn2+被報道具備抑制卵菌繁殖的潛力；诖，孫現(xiàn)超教授與黃進教授系統(tǒng)研究了CNC@PDA@Zn2+對辣椒疫霉無性繁殖的抑制作用及其分子機制，相關(guān)結(jié)果以題為“Harnessing CNC-Carrier Nanomaterials for Enhanced Zn2+-Mediated Inhibition of Oomycete Asexual Reproduction”發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)TOP期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》。
在該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，CNC@PDA@Zn2+（CPZ）因表面高密度富集的Zn2+，顯著增強了對辣椒疫霉孢子囊形成及孢子釋放的抑制效果（Figure 1），同時還能破壞孢子細胞膜，進一步抑制孢子活力（Figure 2）。
Figure 1：CPZ inhibits the asexual reproduction of P. capsica.
機制研究表明，CPZ通過抑制辣椒疫霉無性生殖相關(guān)基因（PcATP4、cdc及G蛋白）的表達，進而顯著降低其對植物的侵染能力（Figure 2）。
Figure 2: CPZ disrupts spore cell structure and inhibits the expression of asexual reproduction-related genes.
綜上所述，作者在本研究中發(fā)現(xiàn)，CPZ不僅顯著增強了對卵菌的殺滅效果，還實現(xiàn)了用量的降低和生物安全性的提升。CPZ通過抑制關(guān)鍵孢子形成基因（PcATP4、cdc和G蛋白）的表達，有效抑制了辣椒疫霉（P. capsici）孢子囊的形成及孢子的釋放，進一步地破壞孢子細胞膜并改變細胞器結(jié)構(gòu)進而抑制P. capsici對寄主的侵染能力（Figure 3）。本研究創(chuàng)新性地設(shè)計并合成了一種針對卵菌無性繁殖的離子型納米農(nóng)藥，為卵菌防治提供了全新的策略和研究方向。
Figure 3: Synthesis Strategy of CNC@PDA@Zn2+ and Its Application in Controlling P. capsici in Peppers.
上述研究工作由西南大學(xué)植物保護學(xué)院孫現(xiàn)超教授、化學(xué)化工學(xué)院黃進教授，以及法國國家科學(xué)研究中心（CNRS），歐洲科學(xué)院院士Alberto Bianco教授共同指導(dǎo)。西南大學(xué)碩士畢業(yè)生向順雨、王靖、王小燕、諶陽和陳美均為相關(guān)論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（項目號31870147）、中國煙草總公司重慶公司科技項目（B20241NY1303、B20241NY1310）及國家留學(xué)基金委資助項目（202306990064、202006990010）的支持。特別感謝瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、德國馬普研究所彭浩然博士和明斯特大學(xué)劉昌云博士在相關(guān)分子機制研究中提供的寶貴建議與指導(dǎo)。
原文鏈接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jafc.5c00381
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202500538
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70230
