海藻源氧化锌纳米颗粒双重调控番茄防御系统：增强抗烟粉虱能力与生理机制解析

《Scientific Reports》：Investigating the alleviatory ability of bio-synthesized zinc oxide nanoparticles from Sargassum ilicifolium (Turner) C. Agardh on the tomato plants exposed to whitefly infestation

本研究针对温室烟粉虱（Trialeurodes vaporariorum）危害导致的番茄减产问题，开发了基于褐藻Sargassum ilicifolium生物合成的氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）。研究发现，叶面喷施50 ppm ZnO-NPs可显著提升番茄叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量，激活超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性，并诱导苯丙氨酸解氨酶（PAL）介导的酚类、黄酮类物质积累。同时，ZnO-NPs对烟粉虱表现出强杀虫活性（LC50=407.4 ppm）。该研究为温室烟粉虱的绿色防控提供了兼具植物防御 priming 效应与直接杀虫活性的双效策略。

　　

在温室番茄种植中，烟粉虱（Trialeurodes vaporariorum）如同隐形的“吸血鬼”，通过刺吸叶片汁液直接造成植株衰弱，更可怕的是其传播病毒的能力可导致作物减产高达50%。长期以来，化学农药是应对烟粉虱的主要手段，但过度使用不仅引发害虫抗药性，还误伤天敌、污染环境。联合国粮农组织数据显示，1990至2021年间全球农药使用量近乎翻倍，这凸显出开发环境兼容型害虫管理策略的紧迫性。

纳米技术为农业可持续发展带来新希望。其中，氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）因其独特的物理化学性质和良好的生物相容性备受关注。与传统农药不同，纳米颗粒可通过绿色合成（GS）方式制备，即利用植物或藻类提取物中的生物活性成分作为还原剂和稳定剂，过程简单、成本低且环境友好。尤为引人注目的是，某些纳米颗粒不仅能直接杀伤害虫，还能“训练”植物，提前激活其防御系统，这种现象被称为“防御 priming”。当害虫真正来袭时，被“训练”过的植物能更快、更强地启动防御机制，如同给植物接种了“免疫疫苗”。

发表于《Scientific Reports》的这项研究，创新性地利用波斯湾和阿曼海沿岸丰富的褐藻Sargassum ilicifolium（一种富含生物活性成分的棕色海藻）提取物，通过绿色合成法制备ZnO-NPs，并系统评价了其对番茄-烟粉虱互作体系的影响。研究人员探讨了这种生物源ZnO-NPs能否在番茄对抗烟粉虱胁迫中扮演“纳米免疫激活剂”和“纳米杀虫剂”的双重角色。

为开展研究，团队运用了几项关键技术：首先，采用绿色合成法，以Sargassum ilicifolium水提物还原锌盐，结合高温煅烧成功制备了结晶良好的ZnO-NPs，并通过场发射扫描电镜（FE-SEM）确认其形貌和尺寸（5-65 nm）。其次，设计了种子纳米引发（Nanopriming）和叶面喷施相结合的处理方式，使用不同浓度（0, 5, 10, 25, 50, 100 ppm）的生物源ZnO-NPs和普通氧化锌（B-ZnO）处理番茄。接着，在人工接虫（烟粉虱）胁迫下，系统测定了番茄的光合色素含量、抗氧化酶活性、次生代谢产物积累、氧化应激指标以及淀粉和蛋白含量。最后，通过毒力测定（生物测定法）评估了ZnO-NPs对烟粉虱成虫的直接杀虫活性，并计算了致死中浓度（LC₅₀）。

光合色素含量

烟粉虱侵染显著降低了番茄叶片的光合色素含量，但ZnO-NPs处理有效缓解了这一损失。具体而言，25 ppm ZnO-NPs处理使叶绿素a含量达到18.881 mg g^-1FW，显著高于对照组的10.647 mg g^-1FW。对于叶绿素b，ZnO-NPs在25 ppm时也获得最高值（3.943 mg g^-1FW）。总类胡萝卜素含量在所有ZnO-NPs处理下均显著高于感染对照组。这表明ZnO-NPs通过提供锌营养和减轻氧化损伤，帮助植物维持了光合机构的功能完整性。

次生代谢产物含量和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性

次生代谢是植物防御反应的核心。研究发现，烟粉虱胁迫下，ZnO-NPs处理显著调控了番茄的苯丙烷代谢途径。总酚含量（TPC）在10 ppm ZnO-NPs处理下最高（208.80 mg GAE g^-1FW）。总黄酮含量（TFC）在10, 25, 50 ppm ZnO-NPs处理下均显著高于5 ppm处理组。尤为关键的是，苯丙烷代谢途径的限速酶——苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性在25和50 ppm ZnO-NPs处理下显著升高。这些次生代谢产物不仅能直接作为抗氧化剂清除活性氧（ROS），还能作为抗营养因子或毒素，降低植物对害虫的适口性。

抗氧化酶活性

植物体内存在一个复杂的抗氧化酶系统来应对胁迫产生的氧化压力。本研究检测了超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化物酶（POX）和多酚氧化酶（PPO）的活性。结果表明，50 ppm ZnO-NPs处理显著提升了SOD活性。APX活性在50 ppm ZnO-NPs处理下也最高。POX活性在ZnO-NPs各浓度处理下均高于感染对照组。PPO活性在10 ppm ZnO-NPs处理下显著增强。这些酶协同作用，构成了一个有效的ROS清除网络：SOD负责将超氧阴离子（O₂·^-）转化为过氧化氢（H₂O₂），而APX、POX等则进一步将H₂O₂转化为水，从而避免羟基自由基（·OH）等更具破坏性ROS的产生。

过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA）浓度

H₂O₂是重要的信号分子，但过量积累会造成氧化损伤。MDA是膜脂过氧化的终产物，其含量可反映细胞膜受损程度。在烟粉虱胁迫下，对照组的H₂O₂和MDA含量显著升高。然而，经ZnO-NPs处理的植株，特别是50和100 ppm浓度下，H₂O₂和MDA水平显著降低。这直接证明了ZnO-NPs通过增强抗氧化能力，有效减轻了烟粉虱取食诱导的氧化胁迫和膜脂过氧化损伤。

淀粉和蛋白质含量

烟粉虱侵染导致对照组番茄叶片淀粉含量显著下降。然而，在5-50 ppm ZnO-NPs处理下，淀粉含量得以维持，与健康植株无显著差异。同样，蛋白质含量在100 ppm ZnO-NPs处理下最高，显著高于对照组。这表明ZnO-NPs处理有助于植物在虫害胁迫下维持正常的碳氮代谢，为防御反应提供足够的物质和能量基础。

对烟粉虱的毒力研究

生物测定结果显示，Sargassum ilicifolium来源的ZnO-NPs对烟粉虱成虫具有显著的杀虫效果。死亡率随浓度增加而升高，在1000 ppm时达到96.66%。通过概率分析计算得出其LC₅₀为407.4 ppm（96小时）。ZnO-NPs的杀虫机制可能涉及诱导昆虫体内氧化应激、物理磨损体壁以及阻塞气门等多种方式。

本研究得出结论，基于Sargassum ilicifolium生物合成的ZnO-NPs在番茄应对烟粉?胁迫中发挥着“一石二鸟”的作用。一方面，作为“植物防御增强剂”，它们通过激活抗氧化酶系统（SOD, APX, POX）和苯丙烷代谢途径（PAL, PPO, 酚类、黄酮类物质），使番茄植株处于“预激活”的防御状态，从而更有效地缓解虫害引起的氧化损伤，增强植株耐受性。另一方面，作为“纳米杀虫剂”，其独特的纳米特性赋予其直接杀灭烟粉虱的能力。这种双重功能机制——既强化宿主又直击害虫——为温室烟粉虱的可持续治理提供了新思路。未来研究需聚焦于田间规模的验证、环境安全评估以及制剂优化，以推动这种绿色纳米技术在综合害虫管理（IPM）中的实际应用。