内生炭疽菌通过凋亡途径诱导草地贪夜蛾细胞死亡：生物防治新策略的机制探索

本期推荐一项关于植物内生真菌生物防治潜力的创新研究。为解决化学农药对环境和健康的负面影响，研究人员从特色茄子品种Mattu Gulla中分离出内生炭疽菌(Colletotrichum sp.)，通过LC-MS分析鉴定出12种活性代谢物（包括regiolone），发现其提取物可通过诱导ROS升高、线粒体膜电位(MMP)去极化和核凝聚等凋亡特征，显著抑制草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda) Sf21细胞活性（IC50=103.6μg mL-1）。该研究为开发新型生物农药提供了重要理论依据。

　　

在全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)作为一种破坏性极强的入侵性害虫，已对全球40多个国家的农作物造成毁灭性打击。这种源自美洲的害虫以其惊人的繁殖力、跨区域迁移能力和永不满足的食欲著称，特别对玉米、水稻、茄科作物等经济作物造成巨大损失。传统依赖化学农药的防治方式不仅导致环境污染和生态平衡破坏，更引发害虫抗药性增强的恶性循环。因此，开发环境友好型的生物防治策略已成为农业可持续发展的重要课题。

在这项发表于《Acta Physiologiae Plantarum》的研究中，Kodsara Ramachandra Kiran等人将目光投向了植物内生真菌——这类与植物共生且不引发明显病理反应的微生物，已被证明能增强宿主对生物和非生物胁迫的抗性。研究团队从印度卡纳塔克邦特有茄子品种Mattu Gulla(Solanum melongena L. var. Mattu Gulla)的根系中分离出13种内生真菌，通过对草地贪夜蛾卵巢细胞系(Sf21)的毒性筛选，发现炭疽菌(Colletotrichum sp.)提取物展现出最强的细胞毒性作用。

研究人员采用液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术对真菌代谢物进行鉴定，在232种代谢物中精准识别出12种具有生物活性的化合物，其中包括已知具有强效杀虫活性的regiolone。通过MTT法检测细胞活力，发现炭疽菌提取物的半抑制浓度(IC₅₀)为103.6μg mL^--1，显著优于其他菌株。

为阐明其作用机制，研究团队运用流式细胞术检测线粒体膜电位(MMP)变化，发现处理组细胞出现明显的线粒体去极化现象，且呈现时间与浓度依赖性。通过DCFDA荧光探针检测发现，细胞活性氧(ROS)水平在处理30分钟内即显著升高，表明氧化稳态被破坏。Confocal显微镜观察进一步揭示了线粒体碎片化和核凝聚等典型凋亡特征：对照组细胞线粒体网络完整且融合，而处理组线粒体呈现碎片化；细胞核出现项链样、环状结构直至最终崩溃，这些形态学变化与细胞凋亡的经典特征高度一致。

研究通过多种关键技术方法验证科学假设：首先从茄子根系组织分离内生真菌并通过形态学鉴定；采用LC-MS进行非靶向代谢组学分析鉴定活性化合物；通过MTT法测定细胞毒性；利用流式细胞术检测线粒体膜电位和ROS水平；最后通过Confocal显微镜观察线粒体结构和核形态变化。

Isolation and identification of dominant endophytes

研究人员从96个表面消毒的茄子根段中获得58株内生真菌，定殖频率达60.41%。通过孢子形态鉴定出10种主要形态型，包括3种炭疽菌、4种镰刀菌和3种青霉菌。其中炭疽菌SM002株系展现最强细胞毒性。

Metabolite identification by mass spectrometry and the cytotoxicity of metabolites

LC-MS分析鉴定出232种代谢物，其中12种已识别化合物包括4-羟基苯乙酸、regiolone等。炭疽菌提取物对Sf21细胞的IC₅₀为103.6μg mL^-1，显著优于其他菌株。

Effect of metabolites on the mitochondrial membrane potential

流式细胞术显示处理组细胞线粒体膜电位显著降低，出现低膜电位(MMP_l)和高膜电位(MMP_h)两种群体，且去极化现象呈时间与浓度依赖性。

Effects of fungal metabolites on cellular ROS

DCFDA检测显示所有浓度处理组在30分钟内即出现ROS升高，12-48小时呈现剂量依赖性增长，200μg mL^-1处理组ROS水平最高。

Effects of fungal metabolites on mitochondrial structure

Confocal显微镜显示对照组线粒体网络完整，而处理组出现明显碎片化。平均荧光强度测定表明处理组线粒体质量下降，提示晚期凋亡特征。

Effects of fungal metabolites on nuclear condensation

Hoechst染色显示对照组细胞核形态正常，而处理组出现核凝聚、项链样结构和核崩溃等凋亡特征。50μg mL^-1处理组在24小时即出现显著核荧光强度增强(p<0.01)。

研究表明，炭疽菌提取物通过破坏细胞氧化还原稳态，诱导线粒体功能障碍和核凋亡，最终导致草地贪夜蛾细胞死亡。这一发现不仅揭示了植物-内生真菌-昆虫三营养级互作的新机制，更为开发基于内生真菌的生物农药提供了理论依据。特别值得注意的是，研究中鉴定出的regiolone等活性代谢物可能成为新型绿色农药的先导化合物。

该研究的重要意义在于：首次从特色茄子品种Mattu Gulla中发掘出具有高效杀虫活性的内生炭疽菌资源；系统阐明了其通过凋亡途径发挥作用的细胞机制；为替代化学农药的绿色防控技术提供了新思路。未来研究应进一步解析活性化合物的分子靶点，开展田间试验验证其实际防效，并探索这些内生真菌在增强植物抗逆性方面的双重功能，为可持续农业发展提供综合解决方案。