双功能纳米疗法通过靶向抑制稻瘟病菌和增强水稻免疫实现多层级防御

稻瘟病严重威胁全球水稻生产，传统防治方法存在环境毒性等问题。本研究利用解淀粉芽孢杆菌Q1合成生物源铜纳米颗粒(bio-CuNPs)，通过转录组学和代谢组学分析发现其能显著抑制稻瘟病菌(Mo)生长(62.85%)，破坏细胞壁合成相关基因(MoCHS-A/B/C/D)和膜转运蛋白(MoMFS-1/2/MSC-2)，同时激活水稻抗氧化酶(SOD/APX/CAT)和防御相关代谢通路(苯丙烷类/氨基酸代谢)，田间应用可降低病害79.63%。该研究为可持续农业病害防控提供了新型纳米策略。

　　

稻瘟病被称为水稻的"癌症"，由稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae, Mo)引起，每年造成全球水稻减产40-50%。传统防治依赖三环唑等化学杀菌剂，但存在环境残留、病原菌抗性等问题。虽然微生物防治剂如芽孢杆菌具有一定效果，但田间存活率低、见效慢。铜制剂作为传统杀菌剂，其纳米形式展现出独特优势，但化学合成CuNPs存在植物毒性风险。如何开发高效、安全的新型防控策略，成为当前农业可持续发展的重大挑战。

针对这一难题，来自浙江大学的研究团队创新性地利用解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)Q1菌株合成生物源铜纳米颗粒(bio-CuNPs)，通过多组学技术系统解析了其"一箭双雕"的作用机制：既能直接抑制病原菌，又可激活植物免疫。这项突破性研究成果发表在材料与生物交叉领域的权威期刊《Materials Today Bio》上。

研究采用微生物合成法获得粒径16-62nm的bio-CuNPs，通过紫外光谱(217nm特征峰)、FTIR(3386cm^-1羟基峰)和XRD(2θ=38.84°晶面)确认其结构。利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察菌丝形态，结合转录组测序(HiSeq2500平台)分析差异基因，构建基因敲除突变体(农杆菌介导转化)验证关键靶点。采用气相色谱-质谱(GC-MS)进行代谢组分析，通过组织化学染色(NBT/DAB)和酶活检测评估氧化应激反应。

3.1节显示，bio-CuNPs对Mo表现出剂量依赖性抑制，在100μg/mL浓度下对菌丝生长的抑制率达62.85%，显著高于体相铜(4.08%)。通过SEM观察到菌丝严重扭曲，TEM显示细胞器损伤，伴随DNA和蛋白质泄漏。特别值得注意的是，bio-CuNPs能抑制分生孢子萌发(19.31%)和附着胞形成(49.65%)——这两个关键侵染环节。

3.4节的转录组分析揭示了分子层面的作用机制。在100μg/mL处理下，1319个基因下调，包括几丁质合成酶基因(MoCHS系列)和膜转运蛋白基因(MoMFS/MSC)。通过构建ΔMoCHS和ΔMoMFS突变体，3.5节证实这些基因缺失株对bio-CuNPs敏感性显著提高，在刚果红(CR)和十二烷基硫酸钠(SDS)压力下生长抑制加剧，表明细胞壁完整性受损。

在植物试验中(3.7节)，叶面喷施bio-CuNPs使水稻病斑数减少79.63%，Cryo-SEM显示其能阻止病菌穿透气孔。TEM观察到处理组细胞器结构完整，而对照组出现明显的真菌侵染结构和细胞损伤。3.9节的生理指标显示，处理组水稻株高增加20.79%，抗氧化酶SOD、APX和CAT活性分别提升26.91%、22.95%和30.0%，同时活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)水平显著降低。

深入机制研究发现(3.10节)，bio-CuNPs激活了水杨酸(SA)和茉莉酸甲酯(MeJA)信号通路，其中SA含量增加68.66%，防御基因OsPR1a和OsLox1表达上调。3.11节的代谢组学分析鉴定出2855个差异代谢物，KEGG富集显示苯丙烷代谢、氨基酸合成等防御相关通路被激活。安全性评估(3.12节)表明，bio-CuNPs在1000μg/mL浓度下对AML12小鼠肝细胞仍无毒性。

这项研究首次系统阐明了bio-CuNPs通过破坏病原菌细胞壁合成和膜转运系统，同时激活植物免疫信号的双重防御机制。相比传统农药，这种生物合成纳米制剂具有环境友好、靶向精准的优势，其揭示的MoCHS和MoMFS等关键靶点为后续精准设计农业纳米药物提供了分子基础。研究团队特别指出，该技术可直接整合到现有叶面喷施系统中，无需改变农民操作习惯，具有重要转化前景。未来研究将重点考察大田条件下的稳定性及对土壤微生物组的影响，为推进绿色农业实践提供新思路。