《Postharvest Biology and Technology》：Multi-pathway antifungal mechanism of liquiritin against
Fusarium sulphureum unlocks new green strategies for potato storage
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马铃薯干腐病防治中芦丁的抗真菌活性及其作用机制研究。
天雅琴|何雅兰|刘婷|杨伟霞|潘立超|任海伟|陈天佑|范文光
兰州理工大学生命科学与工程学院，中国甘肃省兰州市郎公坪路287号，730050
摘要
由Fusarium sulphureum引起的干腐病是马铃薯块茎的主要采后病害之一，常常导致严重的储存损失。本研究系统评估了liquiritin对F. sulphureum的抑菌活性，并初步探讨了其作用机制。在储存21天的过程中，liquiritin（浓度≥0.8?g?L?1）显著降低了病害发生率和病斑扩展。体外实验表明，liquiritin以剂量依赖的方式显著抑制了F. sulphureum的菌丝生长、孢子萌发、生物量积累和孢子形成，其最低抑制浓度和最低杀菌浓度均为1.6?g?L?1。扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察发现，liquiritin处理导致菌丝变形、表面塌陷、细胞质液泡化以及细胞壁和质膜结构破坏等严重形态变化。处理过的真菌细胞中检测到活性氧（ROS）的异常积累，同时H?O?和O??水平升高，膜脂质过氧化加剧。基于全基因组测序的转录组分析显示，liquiritin诱导了多个通路的转录变化，包括氧化磷酸化、谷胱甘肽代谢、MAPK信号传导和自噬相关过程。这些发现为liquiritin的抑菌机制提供了新的证据，并支持将黄酮类化合物作为环保型抗真菌剂用于控制马铃薯干腐病的应用。
引言
马铃薯是全球第四大重要粮食作物，仅次于小麦、水稻和玉米。它因其广泛的生态适应性、高产量潜力和丰富的营养成分而备受重视。马铃薯块茎富含淀粉、膳食纤维、维生素C和多种必需矿物质，对于保障国家粮食安全、提高饮食质量和推动可持续农业发展具有重要意义（Li等人，2024年）。中国是世界上马铃薯种植和消费量最大的国家之一，特别是在西北和西南地区。然而，马铃薯在储存过程中极易受到多种真菌病原体的感染，其中干腐病是最常见且破坏性最强的病害之一（Tiwari等人，2020年）。据估计，中国每年约有15%的收获马铃薯因采后病害而损失，其中由Fusarium属引起的干腐病占所有储存期间真菌感染的88%以上（Xue等人，2023年）。先前的研究确定F. sulphureum是导致中国西北地区马铃薯干腐病的主要病原菌（Yu等人，2016b年）。该病原菌通过伤口侵入块茎组织，导致内部腐烂、变黑和空洞形成，还会引发毒素积累，显著降低块茎品质和市场价值，在严重情况下对人类和动物构成健康风险（Liu等人，2024年）。鉴于传统化学杀菌剂的局限性以及对可持续采后策略需求的增加，迫切需要开发安全、环保且有效的杀菌剂来控制马铃薯干腐病（Li等人，2025年）。
新兴研究越来越多地证明植物来源的生物活性化合物作为控制植物病原真菌的环保替代品的巨大潜力（Akhtar等人，2024年）。这些天然产物通过多靶点机制表现出广谱抑菌活性，使其成为可持续农业的有希望的候选物质（Zhong等人，2023年）。liquiritin（C??H??O?）是一种天然存在的黄酮苷，广泛存在于Glycyrrhiza、Astragalus、Medicago和Polygonatum等药用植物中（Zhou等人，2024年）。越来越多的证据证实了其显著的抗菌、抗氧化和抗炎活性（Geng等人，2020年；Tang等人，2022年）。其特有的黄酮骨架、酚羟基和葡萄糖基团能够干扰真菌的氧化代谢并破坏细胞膜完整性，从而抑制菌丝生长（Zhai等人，2019年）。然而，目前对liquiritin抑菌机制的理解仍然有限，尤其是在其对F. sulphureum的具体作用方面。因此，阐明liquiritin对F. sulphureum的作用机制将为开发可持续策略以减轻马铃薯干腐病提供科学基础。
活性氧（ROS）在真菌生理中具有双重调节作用：在稳态条件下，它们作为多效信号介质协调分化和发育；而在不良环境压力下，它们作为应激响应因子调控细胞适应或程序性细胞死亡（Sankaranarayanan等人，2020年）。大量研究表明，植物来源的抗菌化合物可以通过破坏细胞稳态或干扰代谢途径，在真菌细胞中诱导持续的ROS积累，最终导致细胞死亡（Lin等人，2025年）。在正常情况下，真菌细胞通过复杂的抗氧化防御系统维持氧化还原平衡，精确调节ROS水平，防止细胞成分的氧化损伤并保持重要生理功能（Meng等人，2017年）。谷胱甘肽（GSH）代谢系统是真菌中的关键非酶抗氧化屏障，在ROS解毒中起核心作用。该系统的功能障碍会导致ROS积累失控和随之而来的氧化损伤，包括膜脂质过氧化、DNA链断裂和蛋白质羰基化（Arif等人，2021年）。除了抗氧化防御作用外，过氧化物酶体还通过分解H?O?和调节氧化还原信号传导来参与ROS稳态（Piacentini等人，2021年）。在信号转导层面，丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路被广泛认为是真菌感知和响应氧化应激的中心机制（Ma等人，2022年）。此外，自噬作为维持细胞稳态的基本细胞过程，在调节ROS诱导的真菌细胞死亡中起关键作用（Notaro等人，2023年）。ROS与谷胱甘肽代谢、过氧化物酶体功能、MAPK信号传导和自噬等途径之间的相互作用共同决定了植物来源压力下病原真菌细胞的命运，为天然产物的抑菌机制提供了宝贵的见解。
本研究系统评估了liquiritin对中国西北地区马铃薯干腐病的抑菌效果，并初步探讨了其作用机制。通过体外培养实验检测了liquiritin对F. sulphureum菌丝生长和孢子产生的抑制作用。随后使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了菌丝和孢子的形态和超微结构变化，并定量评估了细胞内活性氧（ROS）水平。尽管许多Fusarium基因组已存储在NCBI等公共数据库中，但目前仍缺乏完整的F. sulphureum参考基因组。为填补这一空白并为后续分析提供必要的遗传基础，我们对F. sulphureum进行了全基因组测序以确认物种。此外，还进行了转录组分析以确定参与真菌对liquiritin处理的信号通路。本研究为开发植物来源的杀菌剂提供了科学依据，并支持了环保型农业病害管理策略，有助于可持续绿色农业的发展。
材料
liquiritin（纯度≥98%，HPLC）购自山西Danis Biotechnology有限公司。通过将liquiritin溶解在40%（v/v）乙醇中，然后在90°C水浴中加热至完全溶解，制备了1%（w/v）的储备溶液（图S1，表S1）。该溶液通过0.22 μm无菌膜过滤器过滤后用于后续实验。除非另有说明，所有浓度和重量均基于鲜重表示。
liquiritin对由F. sulphureum引起的马铃薯干腐病具有抑制作用
为了验证liquiritin对储存期间由F. sulphureum引起的马铃薯干腐病的抑制作用，测量了病害发生率和病斑直径。对照组马铃薯在21天后可见大量F. sulphureum菌丝，表明干腐病严重发展（图1A）。然而，当马铃薯用浓度高于0.8?g?L?1的liquiritin处理后，在7天、14天和21天内几乎观察不到菌丝，病斑也几乎不可见。
讨论
由F. sulphureum引起的马铃薯干腐病对采后储存和食品安全构成了严重威胁，因为它会降低块茎品质、造成经济损失，并在感染组织和周围组织中积累三萜烯霉菌毒素（Elsherbiny等人，2023年；Liu等人，2023年）。尽管化学杀菌剂已被广泛使用并在病害抑制方面显示出满意的效果，但长期使用引发了环境污染的担忧。
结论
体外实验表明，liquiritin显著抑制了F. sulphureum的菌丝生长、孢子萌发、生物量积累和孢子形成，其最低抑制浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MFC）均为1.6?g?L?1。在体内处理条件下，liquiritin在21天的储存期间显著降低了马铃薯块茎的病害发生率和病斑扩展。形态观察显示，liquiritin处理导致菌丝变形、表面塌陷、细胞质液泡化以及细胞壁和质膜损伤。
CRediT作者贡献声明
何雅兰：可视化、验证、软件、资源、方法学、调查、数据整理。刘婷：调查。任海伟：写作——审稿与编辑、监督、资金获取。陈天佑：调查。杨伟霞：写作——审稿与编辑。潘立超：写作——审稿与编辑、概念构思。范文光：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。天雅琴：写作——初稿撰写、方法学、调查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号32460607）、甘肃省青年科学技术基金（编号24JRRA973）以及兰州理工大学青年教师跨学科研究培养项目的支持。
