β-石竹烯与氧化石墨烯：一种防治仙客来属植物镰刀菌枯萎病的新方法

《ACS Omega》：β-Caryophyllene and Graphene Oxide: A Novel Approach for Managing Fusarium Wilt in Cyclamen spp.

抗镰刀菌枯萎病研究中，石墨烯氧化物与β-石竹烯联合处理显著降低感染植株死亡率（60% vs 100%对照组），其协同作用机制涉及吸附镰刀菌毒素并增强挥发性化合物的稳定性，同时保持植物生长不受负面影响。

　　cyclamen（Cyclamen spp.）作为一种广受欢迎的观赏植物，因其精致的花朵和吸引人的叶片而受到人们的喜爱。它原产于欧洲和地中海地区，但由于其观赏价值和商业重要性，现在被广泛种植于全球各地，尤其是在巴西的Holambra地区。这个地区以其先进的生产系统和美洲最大的观赏花卉市场而闻名。然而，尽管cyclamen具有适应多种环境条件的能力，它仍然极易受到多种病原体的侵害，特别是土壤传播的病原体，这给病害管理带来了挑战。其中，由Fusarium oxysporum f. sp. cyclaminis（Focy）引起的枯萎病是最重要的植物检疫问题之一，据报道，在巴西Holambra的一个商业温室中，4000株cyclamen植物中高达70%会发生死亡。这些病原体通过产生毒素、造成叶片损伤、细胞凋亡和气孔闭合等感染策略，最终损害光合作用和离子运输。鉴于cyclamen在观赏植物行业中的经济价值，开发有效且可持续的控制策略以减轻这些病原体造成的损害至关重要。良好的植物检疫管理对于保持植物健康至关重要，因为病原因素可能严重阻碍植物的生长发育。因此，持续研究cyclamen对特定病原体的抗性对于完善种植和保护策略、确保这些植物在不同环境下的耐久性和适应性非常重要。

本研究旨在评估石墨烯氧化物和β-芳樟醇，分别以及联合使用，通过喷洒或通过内治疗（球茎注射）的方式，以控制cyclamen中的Fusarium枯萎病。石墨烯氧化物和β-芳樟醇的联合应用表现出更强的效果，导致感染植物的40-60%死亡率，相比之下，未处理的对照组植物死亡率达到100%。此外，还进行了石墨烯氧化物对腐霉酸的吸附研究，以更好地理解其抗真菌活性，同时对β-芳樟醇进行了生态毒理学评估，以评估其环境安全性。总体而言，石墨烯氧化物和β-芳樟醇对Fusarium oxysporum f. sp. cyclaminis展现出强烈的协同效应，突显了它们在植物保护中的应用潜力，并支持可持续农业实践的发展。

β-芳樟醇是一种存在于菊科和大麻科植物中的萜烯，已被确认为激活植物防御机制的关键分子信号。在体外研究中，β-芳樟醇能够减少Fusarium oxysporum的生长，最多可降低40%，而不会对有益细菌的生长促进和养分循环造成负面影响。除了天然的植物防御机制外，石墨烯氧化物作为一种新型的抗菌剂，已被研究用于对抗植物病原菌和真菌。研究显示，石墨烯氧化物能够强烈抑制多种真菌病原体的菌丝生长和孢子萌发，包括Fusarium graminearum、Fusarium poae和Fusarium oxysporum。此外，石墨烯氧化物还能保护植物免受降解，并增强有益物质如营养或杀菌剂的稳定性。使用还原石墨烯氧化物的研究表明，它在植物根部控制Fusarium oxysporum，将萎蔫和根腐的严重程度降低到低于5%，且在约70天内不会对植物产生毒性作用。石墨烯氧化物与β-芳樟醇的联合使用，提供了杀菌活性和对植物-微生物群落系统的益处，代表了一种创新的防治方法。

因此，本研究旨在评估β-芳樟醇作为天然杀菌剂的潜力，以及石墨烯氧化物，分别和联合使用，以评估它们的协同抗真菌活性。具体而言，通过体外和体内实验（通过喷洒和内治疗[球茎注射]）研究了石墨烯氧化物和β-芳樟醇对cyclamen植物枯萎病发生率的减少。此外，为了阐明石墨烯氧化物对抗Focy的机制，还进行了腐霉酸在石墨烯氧化物上的吸附研究。最后，鉴于β-芳樟醇作为生物输入的潜力，还进行了其生态毒理学评估，以评估其环境安全性。通过这种方式，本研究全面探讨了这些抗真菌剂的潜力及其在植物保护中的应用前景。

在实验过程中，我们观察到石墨烯氧化物对Focy的抑制效果并不显著。在接种后的第三天，石墨烯氧化物处理组的真菌生长比对照组降低了6.9%，但随着时间的推移，这种生长逐渐趋于一致，表明石墨烯氧化物在这些实验条件下对真菌的生物防治效果有限。根据Wang等人（33）的研究，石墨烯氧化物的抗真菌效果与浓度有关。当浓度超过250 mg/L时，石墨烯氧化物会干扰Fusarium graminearum约17种蛋白质的合成，从而影响菌丝生长、细胞壁发育和应激反应。它还可能破坏营养代谢（如葡萄糖、琥珀酸、柠檬酸、GABA、谷氨酰胺和海藻糖）。在本研究中，石墨烯氧化物的浓度约为Wang等人研究中使用的56倍低，这可能解释了其缺乏杀菌活性的原因。除了低浓度外，差异可能也与使用不同培养基有关。值得注意的是，提高石墨烯氧化物的浓度可能在田间应用中经济上不可行，因为这会带来相应的材料成本。El-Abeid等人（21）使用铜纳米颗粒包覆的还原石墨烯氧化物在PDA培养基上对Fusarium oxysporum进行了生物防治，仅需1 mg/L即可实现抑制。这表明，石墨烯氧化物单独可能不足以达到杀菌效果，如在与金属结合使用时所展示的那样。

与此同时，β-芳樟醇在体外实验中表现出显著的抗真菌活性。在7天后，β-芳樟醇处理组的菌丝生长被完全抑制，这确认了其通过挥发性作用对Fusarium oxysporum f. sp. cyclaminis的强效抑制能力。相比之下，对照组（不含β-芳樟醇的PDA培养基）在整个培养皿上都表现出完全的菌丝生长。这些结果进一步支持了β-芳樟醇在抗真菌方面的潜力。此外，我们还观察到，β-芳樟醇在与石墨烯氧化物结合使用时，其杀菌活性显著增强。我们推测，这种增强的杀菌效果可能是由于石墨烯氧化物对β-芳樟醇的吸附作用。石墨烯氧化物可以通过静电作用、疏水相互作用和π-π堆积等方式结合溶解性较差的分子。这种吸附作用有助于保护β-芳樟醇免受环境因素（如光、氧、热）的影响，从而延长其在联合处理中的抗真菌效果。

在植物的内治疗实验中，我们观察到石墨烯氧化物和β-芳樟醇的联合应用在降低枯萎病的发生率方面具有显著效果。在12天后，联合处理组的植物表现出比单独处理组更低的病害发生率。同时，β-芳樟醇和石墨烯氧化物的联合应用还促进了植物的生长，提高了其生物量。这表明，这两种物质不仅在防治病害方面表现出协同效应，还能够提升植物的生长能力，从而提高其观赏价值和市场竞争力。此外，石墨烯氧化物对腐霉酸的吸附能力也得到了验证，这种吸附作用有助于减少植物对腐霉酸的暴露，从而降低病害的发生率。

在生态毒理学评估中，我们测试了β-芳樟醇对不同水生生物的毒性，包括微藻、水生植物、浮游甲壳类动物、线虫和水生无脊椎动物。结果显示，β-芳樟醇对微藻Raphidocelis subcapitata的EC50值为0.97 mg/L，表明该化合物对微藻具有高度毒性。而对浮游甲壳类动物Artemia salina和线虫Panagrolaimus sp.的EC50值均高于100 mg/L，表明该化合物对这些生物具有“几乎无毒”的特性。水生植物Lemna minor的生长抑制情况基于叶簇数量、鲜重和总叶绿素含量，结果显示该化合物对Lemna minor具有“轻微毒性”。通过这种方式，我们能够确定β-芳樟醇在水生生态系统中的低风险浓度，并为其在农业中的应用提供安全依据。

此外，石墨烯氧化物的物理化学特性，如其典型的侧向尺寸（1-2 μm）、厚度（0.55-1.2 nm）和表面电荷（负电荷，zeta电位-36 mV），使其能够通过非共价键与低溶解性分子如β-芳樟醇结合。这种吸附作用有助于延长β-芳樟醇的半衰期，提高其在田间应用中的稳定性。通过这种方式，石墨烯氧化物不仅能够增强β-芳樟醇的抗真菌效果，还能够改善其与植物的相互作用，从而提高其在农业中的应用效果。

本研究的结果表明，石墨烯氧化物和β-芳樟醇的联合应用在控制Fusarium oxysporum f. sp. cyclaminis方面具有显著优势。这种协同效应不仅体现在降低植物死亡率上，还体现在提高植物的生长质量和延长其在市场上的销售周期。此外，通过确定β-芳樟醇在水生环境中的低风险浓度，我们为该化合物在农业中的应用提供了环境安全性的依据。这些发现强调了这些化合物在植物保护中的应用潜力，并支持可持续农业的发展。通过这种方式，我们为未来农业技术的发展提供了新的思路和方向。