青枯病是世界范围内危害严重且防控困难的植物细菌性病害之一，其病原青枯雷尔氏菌具有寄主范围广、土壤存活能力强、传播途径复杂等特点，可侵染番茄、烟草等多种重要作物。病原菌侵染植物后可在维管组织中定殖和扩散，造成植株快速萎蔫甚至死亡。同时，其能够长期存在于土壤、水体及其他环境介质中，使病害持续传播和田间治理面临较大挑战。
长期以来，植物细菌性病害防控主要侧重于通过抗菌药剂直接抑制或杀灭病原菌。然而，植物本身具有高效的免疫防御体系，如果能够在抑制病原菌的同时有效调动植物自身防御能力，有望突破单一″杀菌″模式的局限。因此，如何将病原菌精准抑制与植物自身防御调控有机结合，成为实现植物病害绿色高效防控的重要科学问题。
近日，华中农业大学植物科学技术学院李建洪教授领衔的农药毒理学与有害生物抗药性团队在植物细菌性病害绿色防控领域取得重要研究进展。相关研究成果以″A Redox-Responsive Nano-Immune Coupling Strategy Enables Synergistic Pathogen Eradication and Host Resistance Activation against Bacterial Wilt″为题，发表于国际期刊Advanced Functional Materials。
针对传统病害防控主要聚焦于直接抑制病原菌的局限，研究团队以番茄-青枯雷尔氏菌互作体系为研究对象，提出氧化还原响应型″纳米免疫耦合″策略，并构建了CuO@MON纳米复合材料。该材料利用病原菌相关微环境的氧化还原特征作为响应信号，在病原菌作用过程中发生结构解离并促进活性组分释放，实现抗菌活性的按需发挥。在此基础上，研究团队进一步将材料的微环境响应与植物自身防御调控相结合，使纳米材料由单一的病原菌抑制工具拓展为连接″病原菌抑制″与″宿主防御″的功能载体。
氧化还原响应型纳米材料与番茄免疫偶联策略示意图
研究发现，CuO@MON可从多个层面抑制青枯雷尔氏菌。一方面，CuO@MON能够扰动病原菌细胞内谷胱甘肽稳态，促进活性氧（ROS）积累，打破细胞氧化还原平衡，并进一步造成细胞膜损伤和遗传物质损伤，从而有效抑制病原菌生长。另一方面，材料的响应性结构变化与活性组分释放相互配合，进一步强化其对病原菌的抑制作用。相关研究从氧化还原稳态、细胞膜和遗传物质等不同层面揭示了CuO@MON的抗菌作用特征。
进一步研究表明，CuO@MON的作用并不局限于直接抑制病原菌。在番茄-青枯雷尔氏菌互作体系中，CuO@MON能够显著降低病原菌在植株中的定殖，并增强感染部位防御相关基因的表达，促进植物局部防御反应。由此，该材料将对病原菌的直接抑制作用与植物自身防御调控有机结合，形成″材料响应-病原菌抑制-宿主防御″的协同作用模式，从而实现对番茄青枯病的有效防控。
该研究改变了纳米抗菌材料主要围绕″增强杀菌活性″进行设计的传统思路，将材料响应行为、病原菌氧化还原稳态调控与植物自身防御反应相结合，提出了植物病害防控的″纳米免疫耦合″策略。研究结果表明，新型植物保护材料不仅可以作为直接作用于病原菌的抗菌材料，还可通过合理设计进一步参与病原菌-植物互作过程，为植物细菌性病害防控由单一病原菌抑制向″病原菌抑制-宿主防御协同调控″拓展提供了新的研究思路，也为环境响应型绿色纳米农药的设计与开发提供了理论依据。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78381
来源: 华中农业大学
