内生真菌Hypoxylon anthochroum挥发性有机化合物的生物除草潜力与线粒体作用机制研究

本研究针对化学除草剂耐药性及环境污染问题，通过系统评估Hypoxylon anthochroum内生真菌产生的7种挥发性有机化合物（VOCs）及其混合物的生物除草活性。研究发现VOCs混合物（尤其是Mtotal和Malcohol）可显著抑制杂草种子萌发、根系生长及幼苗呼吸作用，并通过破坏线粒体膜电位（mΔψ）和基础耗氧率发挥除草效应。该研究为开发靶向线粒体呼吸链的绿色除草剂提供了新策略。

　　

随着全球农作物产量在2000至2022年间达到96亿吨的惊人规模，化学除草剂的使用量也攀升至每年200万吨，成为农业双刃剑。杂草肆虐导致马铃薯产量损失高达44%，但长期使用草甘膦等合成除草剂不仅引发环境残留问题，更催生出534种耐药性杂草。这种生态困境促使科学家将目光投向天然来源的生物除草剂，而真菌来源的挥发性有机化合物（VOCs）正展现出独特优势。

在《World Journal of Microbiology and Biotechnology》最新发表的研究中，墨西哥国立自治大学的研究团队聚焦于内生真菌Hypoxylon anthochroum的4种形态种（Gseg1、Blaci、Haeg2、Smeg4）产生的7种VOCs。这些化合物包括4种醇类（3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-苯乙醇）和3种单萜类（桉叶油醇、罗勒烯、萜品油烯），它们通过顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用（HS-SPME-GC-MS）技术鉴定，并首次系统评估其除草潜力与作用机制。

研究团队采用气相暴露法评估VOCs对4种草本杂草（藜科藜麦、豆科红三叶草与紫花苜蓿、禾本科黍）及浮萍（Lemna gibba）的毒性效应。通过Clark型氧电极测定幼苗耗氧率，利用四甲基罗丹明甲酯（TMRM）荧光探针检测线粒体膜电位变化，并参照OECD指南进行浮萍生长抑制实验。统计学分析采用ANOVA与Tukey HSD检验，IC₅₀值通过对数概率法计算。

挥发性化合物对草本杂草的植物毒性效应

研究显示VOCs混合物对杂草生理过程的抑制强度呈现M_total（7种混合物）>M_alcohol（4种醇类）>M_terpene（3种单萜）的规律。在0.5-2.6 μg/mL浓度下，M_total即可抑制50%以上的种子萌发与根系生长，其中藜麦的根系生长最为敏感。醇类混合物在5.1 μg/mL时使幼苗呼吸抑制率达65%以上，而单萜混合物需300-800 μg/mL才能达到同等效果。单体化合物中，3-甲基-1-丁醇活性最强，在5 μg/mL时完全抑制紫花苜蓿根系生长，其IC₅₀值低至2.5-8.2 μg/mL。

VOCs对线粒体功能的影响

在分离自紫花苜蓿的完整线粒体中，M_total在5 μg/mL时即引起50%膜电位损伤，20 μg/mL时呼吸抑制率达80%。3-甲基-1-丁醇对呼吸链复合物II的抑制活性是阳性对照TTFA（2-苯酰三氟丙酮）的5倍，其IC₅₀值分别为5.5 μg/mL（呼吸抑制）和5.9 μg/mL（膜损伤）。单萜类化合物需达到1000 μg/mL才显现显著效应，其中桉叶油醇可导致90%膜电位崩溃。

对水生植物的毒性验证

在300 μg/mL浓度下，M_total与M_terpene完全抑制浮萍叶片增殖并引发严重萎黄症，其作用强于商品化除草剂Rival?（草甘膦）。研究证实罗勒烯与萜品油烯是导致浮萍光合色素降解的关键成分。

该研究首次揭示H. anthochroum来源的VOCs可通过双重机制发挥除草活性：破坏线粒体能量代谢（抑制呼吸链电子传递与ATP合成）以及干扰光合色素生物合成。特别是醇类化合物与单萜类的协同效应，为设计多靶点生物除草剂提供了理论依据。未来研究将聚焦于VOCs对氧化磷酸化系统的精确作用位点，以及其对莽草酸途径的潜在抑制能力。这项源于真菌与植物共生关系的发现，有望为可持续农业提供新一代绿色除草剂模板。