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  近日，西南大學孫現超教授、黃進教授與法國國家科學研究中心（CNRS）Alberto Bianco 教授合作，在材料科學頂級期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一區TOP，IF=19）、生物學頂級期刊《Plant Biotechnology Journal》（中科院一區TOP，IF=10.5）以及農林科學頂級期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（中科院一區TOP，IF=6.2）上發表系列研究成果，系統報道了離子型納米農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藥的抗病原機制及其誘導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%的農作物減產，據聯合國糧農組織估計，全球每年因此損失超過2200億美元，嚴重威脅糧食安全與農業經濟的穩定發展。隨著氣候變化和農業集約化的推進，植物病害的發生頻率和傳播范圍不斷擴大，對農業生產構成越來越嚴峻的挑戰。為應對植物病害，農業生產中普遍采用化學農藥、生物防控、抗病品種選育等綜合措施進行防治。然而，傳統化學農藥雖然在短期內具有一定效果，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、水體及非靶標生物造成環境污染與生態風險。生物防控和抗病育種雖然更加綠色安全，但在實際應用中仍面臨作用慢、適用范圍有限等挑戰。因此，如何實現高效、可持續、環境友好的植物病害防治，已成為當前農業領域亟需突破的關鍵問題。

  金屬離子是植物正常生長發育所必需的營養元素，參與多種酶促反應、光合作用及抗氧化系統調節。近年來，金屬離子在農業生產中被廣泛用于調控植物代謝、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、促進根系生長和光合效率等方面表現出關鍵作用。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，限制了其在農業中的廣泛應用。因此，如何在降低施用劑量的同時提升Zn²⁺和Mn²⁺在植物體內的生物利用效率，已成為該領域亟需解決的關鍵問題。針對上述挑戰，西南大學孫現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藥構建策略。該策略利用CNC優異的長徑比和穿透能力作為載體，結合聚多巴胺（PDA）對金屬離子的良好螯合作用，制備出PDA@Zn²⁺或PDA@Mn²⁺復合物，并通過氫鍵作用將其穩定負載于CNC表面，最終構建出表面富含Zn²⁺或Mn²⁺的離子型納米農藥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濟作物，嚴重威脅全球農業生產安全與作物產量穩定。傳統的化學防控手段因其防治效果有限、抗藥性發展迅速及環境殘留問題，已難以滿足可持續農業發展的需求。近年來，誘導植物自身免疫、激活系統性獲得性抗性（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⁺可通過調控細胞代謝與信號轉導通路，增強植物免疫反應，進而顯著提升植物對TMV的抗性，揭示了Zn²⁺在誘導植物抗病性方面的潛力。然而，在研究中發現Zn²⁺在植物中的利用效率較低，仍需較高劑量才能實現有效防控，限制了其在實際農業生產中的應用。為提升Zn²⁺的利用效率，孫現超教授與黃進教授團隊深入解析了CNC@PDA@Zn²⁺在植物體內促進Zn²⁺高效轉運與精準再分配、從而誘導系統性抗性的作用機制。相關成果以題為“High-permeability cellulose nanocrystals mediate systemic zinc redistribution through nsLTP2-dependent immune potentiation in plants”發表在生物學頂刊《Plant Biotechnology Journal》上。

  研究發現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.

  進一步研究發現，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，又未引發毒性，具有良好的系統運輸能力和安全性。另外，轉錄組分析結果表明，CNC@PDA@Zn²⁺可誘導多種Zn²⁺結合蛋白（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，該材料顯著上調非特異性脂質轉運蛋白 nsLTP2 的表達，并促使其亞細胞定位轉移至葉綠體和胞外區域（Figure 3d-g），表明CNC@PDA@Zn²⁺可通過激活nsLTP2介導的免疫通路，誘導植物產生廣譜抗性。

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優異的滲透性，實現Zn²⁺在植物體內的高效運輸與精準分配。同時通過調控nsLTP2的表達及亞細胞定位，激活水楊酸依賴的系統性抗性通路，從而協同增強植物的抗病毒能力與鋅營養調控效果。

工作二：CNC@PDA@Mn²⁺激發自噬，誘導植物系統抗性

  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元素，近年來研究還揭示其在植物抗病中的關鍵作用，尤其是在調控氧化應激反應方面。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⁺在誘導植物防御反應中具有重要潛力。然而，關于Mn²⁺是否能夠誘導植物系統性抗性，尤其是其在植物抗病毒中的功能及機制，目前仍缺乏系統研究。相較而言，Mn²⁺在動物體內的免疫調控功能已被廣泛揭示，研究表明Mn²⁺可通過激活胞質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。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⁺還可誘導保護性自噬反應，促進ROS積累和線粒體自噬，增強細胞穩態和抗壓能力，甚至提升化療和免疫治療的協同效果。這些機制為Mn²⁺可能在植物中調控抗病毒免疫提供了啟發。

  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機制仍未被明確，研究尚屬空白。鑒于此，系統揭示Mn²⁺在植物抗病毒中的功能及其潛在的信號調控路徑具有重要的理論意義與應用前景。針對該問題，孫現超教授、黃進教授與法國科學院Alberto Bianco院士團隊首次證實了Mn²⁺及其復合材料（CNC@PDA@ Mn²⁺）在植物中的顯著抗病毒效應。機制研究表明，CNC@PDA@ Mn²⁺可通過上調抗病相關基因NbHin1的表達，進一步激活植物自噬通路，進而誘導系統性抗性，實現對多種植物病毒的廣譜抑制。這一發現為Mn²⁺在植物病毒防治中的應用奠定了理論基礎，并為開發新型綠色植保策略提供了創新思路。該工作以題為“Manganese-Enhanced Nanopesticides Augment Plant Resistance against Viral Infection via an Untapped Macroautophagy Pathway”在材料科學頂級期刊《Advanced Functional Materials》上成功發表。

  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構，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在植物體內釋放Mn²⁺的機制。當該材料富集于植物細胞后，細胞內的微酸性環境（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可在植物體內顯著增強抗病相關酶（如SOD和POD）的活性。其中，CPM激活的SOD產生的H₂O₂可能作為關鍵信號分子，通過亞砜化修飾轉錄因子CCA1 Hiking Expedition（CHE），增強其對抗病基因NbHin1啟動子的結合能力，從而上調NbHin1的表達。該基因的上調進一步協調激活以NbHin1為核心的巨自噬通路，進而觸發多種抗病毒防御反應，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，作者構建了一種以CNC為載體、PDA螯合Mn²⁺的新型納米農藥（CPM），實現了Mn²⁺的高效遞送與安全應用，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?通過破壞病毒結構抑制感染，并在細胞內酸性或H₂O₂刺激下持續釋放Mn²⁺，兼具促生長與環境響應功能。此外，CPM還能激活SOD產生活性氧，誘導CHE調控NbHin1表達并啟動自噬通路，增強植物系統性抗病毒免疫（Figure 4）。本研究不僅開發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

  植物卵菌是農業領域極具破壞性的病原體，能引發多種嚴重植物病害，導致作物大面積枯萎和產量銳減。例如，馬鈴薯晚疫病的爆發曾引發19世紀愛爾蘭大饑荒，造成廣泛的糧食危機，充分暴露了卵菌對農業生產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農藥，但長期使用容易導致病原產生耐藥性，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重要。近些年來，Zn²⁺被報道具備抑制卵菌繁殖的潛力。基于此，孫現超教授與黃進教授系統研究了CNC@PDA@Zn²⁺對辣椒疫霉無性繁殖的抑制作用及其分子機制，相關結果以題為“Harnessing CNC-Carrier Nanomaterials for Enhanced Zn²⁺-Mediated Inhibition of Oomycete Asexual Reproduction”發表在農林科學TOP期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》。

  在該研究中，研究人員發現，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，作者在本研究中發現，CPZ不僅顯著增強了對卵菌的殺滅效果，還實現了用量的降低和生物安全性的提升。CPZ通過抑制關鍵孢子形成基因（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構進而抑制P. capsici對寄主的侵染能力（Figure 3）。本研究創新性地設計并合成了一種針對卵菌無性繁殖的離子型納米農藥，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植物保護學院孫現超教授、化學化工學院黃進教授，以及法國國家科學研究中心（CNRS），歐洲科學院院士Alberto Bianco教授共同指導。西南大學碩士畢業生向順雨、王靖、王小燕、諶陽和陳美均為相關論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金（項目號31870147）、中國煙草總公司重慶公司科技項目（B20241NY1303、B20241NY1310）及國家留學基金委資助項目（202306990064、202006990010）的支持。特別感謝瑞士日內瓦大學、德國馬普研究所彭浩然博士和明斯特大學劉昌云博士在相關分子機制研究中提供的寶貴建議與指導。

  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