真菌源植物免疫激活剂Cerato-Platanin抑制农田杂草生长的创新机制研究

本研究探讨了真菌来源的蛋白Cerato-Platanin(CP)作为植物免疫防御激活剂，通过激活模式触发免疫(PTI)抑制农田杂草生长的突破性发现。实验中，CP在≥75 μM浓度下显著抑制Lolium multiflorum等杂草幼苗生长（根茎长度减少40-80%），并激活防御基因如几丁质酶1(CHI1)和乙烯合成酶(ACO1)，而对小麦无负面影响。该研究为开发新型、生态友好型除草剂提供了全新作用机制，有效对抗除草剂抗性杂草。

　　

摘要

除草剂行业亟需新型作用机制和生态友好活性成分。本研究首次探索植物免疫系统激活作为杂草控制策略，利用真菌来源的蛋白激发子cerato-platanin(CP)。CP由板栗枯萎病菌(Ceratocystis platani)产生，通过激活模式触发免疫(PTI)抑制杂草幼苗生长。实验表明，CP对多花黑麦草(Lolium multiflorum)、马唐(Digitaria sanguinalis)和绿穗苋(Amaranthus hybridus)具有显著抑制效果，而对小麦(Triticum aestivum)无负面影响。这一发现为开发靶向植物免疫系统的除草剂开辟了新途径。

引言

过去40年，除草剂新作用机制的研发陷入停滞，现有产品多靶向相同分子通路（如光合作用、氨基酸合成）。与此同时，抗除草剂杂草数量持续上升，已影响多数现有作用机制。简化农业实践和农药撤市进一步加剧抗性问题。天然微生物源分子可提供多靶点作用机制，降低抗性风险，但迄今仅少数生物除草剂上市（如非壬酸和thaxtomin A）。植物免疫系统感知病原相关分子模式(PAMP)后触发PTI，导致防御与生长的权衡。本研究利用真菌PAMP蛋白CP（属于cerato-platanin家族），探究其通过免疫激活抑制杂草生长的潜力。

材料与方法

植物材料：供试杂草种子来自意大利国家研究委员会可持续植物保护研究所，包括多花黑麦草、野燕麦(Avena fatua)、绿穗苋等（表1）。
CP制备与纯化：CP通过毕赤酵母(Pichia pastoris)异源表达，经反相高效液相色谱(RP-HPLC)纯化，BCA法定量，SDS-PAGE验证纯度。
种子处理与生长测定：种子表面消毒后，置于铺有滤纸的培养皿中，添加500 μL CP溶液（浓度37.5-600 μM）。以无菌水和牛血清白蛋白(BSA)为对照。培养条件见表2（如27°C/17°C光周期）。4-7天后测量胚芽和初生根长度。
分子分析：Western blot检测CP吸收；RT-qPCR分析防御基因表达（使用eTIF为内参）；统计采用Kruskal-Wallis和Dunn检验。

结果

CP抑制多花黑麦草生长：150 μM CP处理使多花黑麦草胚芽长度减少80%（P<0.0001），根长减少40%（图1）。抑制具有剂量依赖性，≥75 μM即显著降低胚芽长度（图2），而BSA无此效应。
CP吸收与基因激活：Western blot证实CP被幼苗吸收（图3）。RT-qPCR显示，防御基因几丁质酶1(CHI1)和乙烯合成酶(ACO1)表达显著上调（P<0.05），而苯丙氨酸解氨酶(PAL)等未受影响（图4）。
物种选择性抑制：CP对野燕麦、糙果苋(Amaranthus tuberculatus)和长芒苋(Amaranthus palmeri)无抑制作用，但对马唐根长抑制>85%，对绿穗苋根长抑制约15%（图5）。
对抗除草剂抗性：CP对乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)抑制剂pinoxaden抗性的黑麦草种群（如IT609）仍有效，抑制率达78%以上（图6）。
作物安全性：CP不影响小麦发芽和生长（图7），且未在小麦幼苗中检测到残留。

讨论

CP作为真菌PAMP蛋白，通过激活PTI引发杂草防御反应（如^ACO1和^CHI1基因过表达），导致生长抑制。其物种选择性可能与植物受体多样性有关——敏感物种（如多花黑麦草）存在高亲和力CP受体，而小麦能快速降解CP。该机制不同于传统除草剂作用靶点（如ACCase或ALS抑制剂