细菌胞外生物分子衍生的多模态锰纳米颗粒通过调控镰刀菌酸生物合成途径和根际代谢组精准抑制西瓜枯萎病

本研究针对西瓜枯萎病这一全球性农业难题，创新性地利用锰抗性细菌Lysinibacillus sphaericus NOTE11的胞外代谢物合成锰纳米颗粒(MnNPs)，通过转录组学和代谢组学技术揭示了MnNPs通过下调镰刀菌酸(Fusaric acid)生物合成基因FonFUB5/8/11、上调FonFUB12表达，同时重塑根际防御性代谢物(酚类、黄酮类等)的双重作用机制，在100μg/mL浓度下实现84%的病害抑制率，为纳米农业技术防控土传病害提供了新范式。

　　

西瓜产业正面临由尖孢镰刀菌西瓜专化型(Fusarium oxysporum f. sp. niveum, Fon)引起的枯萎病威胁，这种土传病害可造成100%产量损失。传统化学杀菌剂不仅带来环境风险，长期使用还会导致病原菌抗性增强和土壤毒素累积。更棘手的是，西瓜品种对Fon的天然抗性资源匮乏，而病原菌分泌的镰刀菌酸(Fusaric acid)等毒素会破坏植物免疫系统，其生物合成途径中的FUB基因簇成为关键毒力因子。与此同时，纳米农业技术虽展现出病害防控潜力，但化学合成纳米颗粒存在生物相容性差、非靶向效应等问题。这些现状呼唤着兼具高效性和环境友好性的新型防控策略。

浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所的研究团队创新性地从西瓜根际分离获得一株锰抗性细菌Lysinibacillus sphaericus NOTE11，利用其胞外代谢物成功合成多模态锰纳米颗粒(MnNPs)。通过整合生理学、分子生物学和组学技术，系统解析了MnNPs通过"病原靶向-根际调控"双通道抑制西瓜枯萎病的机制。相关成果发表于《Journal of Nanobiotechnology》，为纳米农业技术在作物保护中的应用提供了理论和技术支撑。

研究采用的主要技术包括：1) 锰抗性菌株的16S rRNA和rpoB基因分子鉴定；2) 细菌胞外代谢物介导的MnNPs生物合成及FTIR、XRD、SEM/TEM-EDS表征；3) 离体条件下评估MnNPs对Fon菌丝生长、分生孢子形成和萌发的抑制效应；4) 西瓜盆栽实验结合qPCR定量病原菌生物量；5) RNA-seq转录组分析FUB基因表达变化；6) 靶向敲除FonFUB5/8/11/12基因构建缺失突变体；7) GC-MS非靶向代谢组学解析根际代谢物变化。

【MnNPs disrupt Fon fundamental biological functions】
通过体外抑菌实验发现，100μg/mL MnNPs使Fon菌丝生长抑制率达21.97%，分生孢子萌发率降低80%。电镜观察显示MnNPs处理导致菌丝结构畸形、细胞膜破裂和胞质渗漏，分生孢子隔膜数从对照组的1-3个减少至0-1个。这些结果证实MnNPs能破坏病原菌基本生命活动。

【MnNPs suppressed Fusarium wilt and invasive fungal growth】
盆栽实验显示MnNPs处理使西瓜枯萎病严重度指数降至14.36（对照88.38），病害抑制率达84%。qPCR检测表明MnNPs使根部和茎部真菌生物量在接种后9天分别减少51.7%和67.62%，证实其能有效阻断病原菌在植物体内的定殖扩展。

【MnNPs induced transcriptomic alterations in Fon】
RNA-seq鉴定到649个差异表达基因（下调512个），KEGG分析显示淀粉代谢、氮代谢和ABC转运蛋白等通路显著改变。GO注释发现MnNPs主要影响碳水化合物结合、细胞器形成和应激响应等生物学过程，表明其能广泛干扰病原菌代谢网络。

【MnNPs dysregulated fusaric acid biosynthetic pathway】
关键发现是MnNPs显著下调FonFUB5(FOXG_15243)、FonFUB8(FOXG_17660)和FonFUB11(FOXG_17181)，上调FonFUB12(FOXG_15235)。这些基因在分生孢子萌发期和侵染早期高表达，敲除突变体对MnNPs敏感性增加44-45%，证实FUB基因簇是MnNPs的关键作用靶点。

【MnNPs altered rhizosphere metabolites】
GC-MS鉴定到215种代谢物，MnNPs处理显著富集α-弹性蛋白2-d-葡萄糖苷酸等防御相关物质。通路分析显示甘油磷脂代谢、不饱和脂肪酸合成等抗病相关通路被激活，建立了有利于植物健康的根际微环境。

该研究首次阐明生物源MnNPs通过"双管齐下"机制防控西瓜枯萎病：在病原菌方面，通过破坏细胞结构、抑制分生孢子发育，特别是干扰镰刀菌酸生物合成这一关键毒力途径；在植物-土壤微生态方面，通过精准调控根际防御代谢物组成，创造抑病型根际环境。这种整合纳米技术、病原生物学和植物-微生物互作的研究范式，不仅为土传病害治理提供了新思路，其"纳米颗粒-病原-植物"三方互作机制的解析也为设计智能型纳米农药提供了理论框架。值得注意的是，MnNPs在100μg/mL低浓度下即展现卓越防效，且锰元素本身是植物必需微量元素，这种"治病兼营养"的特性使其具有显著的农业应用前景。未来研究需进一步验证田间防效，并评估长期施用对土壤微生物组的影响，以推动该技术向实际应用转化。