生物源锰纳米农药通过氧化稳态抑制真菌病原体并增强植物防御

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Biogenic manganese nanopesticides suppress fungal pathogens and enhance plant defense via oxidative homeostasis

　　真菌病原体如稻瘟病菌（Mo）、灰葡萄孢（Bc）、瓜类炭疽菌（Co）和尖孢镰刀菌西瓜专化型（Fon）对全球作物生产力构成重大威胁，造成严重的产量损失和经济损害。传统管理策略，包括化学杀菌剂和抗性品种，在一定程度上提供了保护，但存在严重的环境问题。本研究探讨了利用枯草芽孢杆菌（ZZ-73）合成的生物源锰纳米颗粒（bio-MnNPs）的抗真菌和植物保护潜力。理化表征证实了球形MnNPs，平均尺寸约45 nm，表面有生物分子涂层。体外实验表明，bio-MnNPs显著抑制了Mo、Bc、Co和Fon的菌丝生长，抑制率分别为73.3%、79.6%、47.3%和56.3%。同样，经bio-MnNPs处理的所有供试真菌病原体的产孢、分生孢子萌发和附着胞形成也受到抑制。在体内实验中，bio-MnNPs（100 μg/mL）叶面喷施于水稻、番茄和黄瓜，以及西瓜根部处理，显著降低了由Mo、Bc、Co和Fon引起的病害严重度，分别降低了82.67%、87.3%、76%和77.4%。重要的是，bio-MnNPs通过激活抗氧化防御系统，调节了受感染植物中活性氧的积累。这些发现突出了bio-MnNPs作为一种可持续、多功能的纳米生物农药的潜力，它结合了直接抗真菌活性和增强植物免疫应答的功能，为下一代作物保护提供了有前景的策略。引言真菌病原体是农业中最具破坏性的因子之一，导致主要作物每年10-40%的产量损失，估计全球经济损失超过2000亿美元（Fisher et al., 2012; Savary et al., 2019）。主要植物病原体如稻瘟病菌（Mo）、灰葡萄孢（Bc）、瓜类炭疽菌（Co）和尖孢镰刀菌西瓜专化型（Fon）是稻瘟病、灰霉病、炭疽病和镰刀菌枯萎病等毁灭性病害的病原，威胁全球粮食安全和生物多样性（Dean et al., 2012; Savary et al., 2019）。真菌病害仍然是全球作物生产的主要限制因素，其管理传统上依赖于杀菌剂、轮作和抗性品种。然而，这些策略日益受限，过度使用杀菌剂加速了有毒残留的生态风险出现（Lucas et al., 2015; Yang et al., 2021）。尽管生物防治具有前景，但其田间表现往往不一致、效果滞后且对环境变化敏感，这突显了在可持续作物保护中迫切需要新型、有效且生态安全的替代方案（Bonaterra et al., 2012）。纳米技术因其精确性、可扩展性和多功能性，已成为植物病害管理的一个有前景的平台。在近期的方法中，通过生物途径合成、特别是利用细菌合成的金属纳米颗粒（NPs），越来越被认为是传统农用化学品的更安全、更可持续的替代品（Bahrulolum et al., 2021）。细菌介导的金属NPs合成利用硝酸还原酶和氧化还原酶等酶，在生理温和条件（即中性pH、25-35°C、常压）下还原金属离子，产生稳定的、具有生物活性的NPs，通过破坏细胞结构、抑制孢子萌发和激活涉及水杨酸和茉莉酸信号传导的植物系统防御途径来抑制病原体生长。据报道，芽孢杆菌来源的MnNPs通过抑制菌丝定殖和激活宿主免疫，抑制了西瓜镰刀菌枯萎病（Noman et al., 2023a）。生物源NPs（bio-NPs）表现出优异的表面反应性、靶标特异性和生物相容性，同时减轻了化学合成对应物经常伴随的细胞毒性效应（Hanan et al., 2018）。解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌等细菌能高效生物合成银、氧化锌和氧化铜NPs，通过破坏细胞壁、产生活性氧（ROS）和抑制孢子萌发，对Mo、Fon和Bc显示出强抗真菌活性（He et al., 2011; Islam et al., 2025; Jeevanandam et al., 2022）。这些发现突显了细菌系统作为生成强效抗真菌剂的可持续纳米工厂的潜力。在生物源NPs中，锰（Mn）基NPs很有前景，因为Mn不仅是必需的微量营养素，而且具有抗真菌特性。具体而言，它作为锰超氧化物歧化酶和草酸氧化酶等酶的辅因子，参与ROS解毒和系统获得性抗性（Noman et al., 2025; Perfileva and Krutovsky, 2024）。生物源MnO? NPs对黑曲霉和白色念珠菌表现出强抗真菌活性，通过损害细胞膜完整性和诱导氧化应激（Lu et al., 2021）。同样，仿生钯掺杂MnO NPs对植物病原和动物病原微生物（包括黑曲霉、白色念珠菌和大肠杆菌）均表现出抗菌功效，主要通过催化产生ROS和破坏细胞超微结构（Vikal et al., 2023）。近期研究表明，使用巨大芽孢杆菌合成的bio-MnNPs在约100 μg/mL浓度下显著降低了西瓜Fon病害，通过增强水杨酸信号传导和重塑根际微生物组向抑病群落转变（Nguyen et al., 2018; Noman et al., 2023b）。尽管关于bio-MnNP介导的真菌病原体抑制已有大量研究，但其对不同植物病原真菌的抗真菌活性及其潜在的抑病机制仍不清楚。在此背景下，本研究通过体外和体内实验，研究了bio-MnNPs对毁灭性真菌病原体（包括Mo、Bc、Co和Fon）的抗真菌功效及其潜在机制。通过阐明其对病原体抑制和宿主生理反应的影响，本研究突显了bio-MnNPs作为可持续纳米生物农药在作物病害管理中的潜力。章节片段bio-MnNPs的生物合成bio-MnNPs通过胞外方法合成，利用如前所述的富集培养程序（Noman et al., 2023a）。简而言之，先前表征的拮抗细菌菌株枯草芽孢杆菌（ZZ-73）（Liu ShiYin et al., 2012）购自中国杭州浙江省农业科学院农产品质量安全与安全国家重点实验室，用于MnNPs生物合成。ZZ-73菌株在锥形瓶中培养bio-MnNPs的生物合成与表征利用枯草芽孢杆菌ZZ-73的无细胞滤液成功生物合成MnNPs。MnNPs的合成通过反应混合物从淡黄色到深棕色的明显颜色变化视觉确认，表明ZZ-73菌株还原Mn离子并随后形成MnNPs。培养上清液中bio-MnNPs的存在通过257 nm处的特征吸收峰进一步验证（图1A）。MnNPs的FTIR分析显示明显的吸收带讨论本研究表明，合成的bio-MnNPs具有小晶体尺寸、球形到椭圆形形态和均匀分散的特征，对主要植物病原真菌（包括Mo、Bc、Co和Fon）表现出强效抗真菌活性。高比表面积和生物源合成过程产生的功能化有机涂层可能增强了其胶体稳定性和与真菌细胞表面的反应性。负Zeta电位结论总之，bio-MnNPs对多种真菌病原体表现出强效抗真菌活性，在体外有效抑制真菌生长、孢子产生、萌发和侵染结构。在水稻、番茄、黄瓜和西瓜中施用bio-MnNPs降低了体内病害严重度，表明其作为新兴纳米农药的巨大潜力。机制上，bio-MnNPs通过直接病原体抑制和抗氧化防御激活来对抗侵染过程CRediT作者贡献声明Mohammad Shafiqul Islam：撰写——初稿，验证，方法学，调查，正式分析，概念化。Zhen Zhang：调查，正式分析。Muhammad Noman：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，调查，正式分析。Yingying Cai：撰写——审阅与编辑，正式分析。Jing Wang：撰写——审阅与编辑。Temoor Ahmed：撰写——审阅与编辑。Mohamed M. Hassan：撰写——审阅与编辑。Haiping Qiu：撰写——审阅与利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。致谢本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1400200）、浙江省自然科学基金（LZ24C140004）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划（2023C02018）、杭州市农业技术团队项目（2025TD22）和农产品质量安全国家重点实验室（2021DG700024-KF202508）的支持。作者感谢Mohammad Shafiqul Islam|Zhen Zhang|Muhammad Noman|Yingying Cai|Jing Wang|Temoor Ahmed|Mohamed M. Hassan|Haiping Qiu|Zhongna Hao|Rongyao Chai|Yanli Wang|Bin Li|Jiaoyu Wang农产品质量安全国家重点实验室，农业微生物组重点实验室（MARA），浙江省农业微生物组重点实验室，MARA植物保护生物技术重点实验室，浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所，杭州 310021，中国