纳米硒（SeNMs）的广谱抗真菌活性及其对番茄抗氧化、苯丙烷与激素防御代谢的重编程作用

《Plant Physiology and Biochemistry》：Nanoscale selenium confers broad-spectrum antifungal activity and reprograms antioxidant, phenylpropanoid and hormonal defense metabolism in tomato

　　

纳米硒（SeNMs）在番茄中赋予广谱抗真菌活性，并重编程抗氧化、苯丙烷和激素防御代谢。SeNMs抑制真菌病原体并降低番茄病害严重度；SeNMs恢复地上部并增强根部抗氧化与酚类防御；侵染提高根部水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）积累，而SeNMs减弱其积累。

研究背景与意义：近几十年来，气候变化、种植制度改变和病原菌快速进化使植物病害发生频率、严重度和地理分布加剧，威胁全球粮食安全和农业可持续性，尤其对集约化生产的高值园艺作物番茄影响突出。番茄生产受多阶段、多组织部位真菌病害制约：胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides，Cg）主要侵染地上部并引起炭疽病坏死斑；尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum，Fo）定殖木质部引起维管束枯萎；茄病镰刀菌（Fusarium solani，Fs）通过坏死营养型侵染根和茎基部引起根腐/颈腐。现有防控主要依赖化学杀菌剂和土壤处理，虽可短期控病，但频繁使用导致抗药性病原群体出现、土壤健康退化和农生态污染，且法规限制和消费者对无残留产品的需求促使减少化学投入。因此，需要兼顾有效性和环境相容性的病害控制策略。纳米材料因直接抗菌、活性物递送和调节植物免疫的潜力受到关注；纳米硒（selenium nanomaterials，SeNMs）与块体或离子硒的理化性质不同，可能具有独特生物活性并降低毒性。已有证据显示SeNMs可抑制作物病原并增强抗生物胁迫能力，但多集中于单一病原或单一表型，缺乏对侵染策略不同病原的系统比较，且对宿主生理、生化和分子响应的整合不足。为此，研究人员评估SeNMs对番茄三种侵染策略不同真菌的保护作用及机制，结合体外抑菌与体内病情、生长、光合、氧化胁迫、抗氧化防御、次生代谢、硒积累和防御相关基因表达分析。研究得出SeNMs具有直接广谱抑菌和重编程宿主防御代谢的双重作用，可降低病情、恢复生长与光合、减轻氧化损伤、增强抗氧化和苯丙烷防御、减弱根部胁迫相关激素积累并调节防御基因表达；根部在土传侵染下响应更强。该研究为SeNMs作为可持续病害管理工具提供了机制框架，但田间验证、剂量优化和安全性评估仍需开展。

关键技术方法：SeNMs悬浮液制备与表征（60–210 nm；μg mL^?1）；以PDA（potato dextrose agar，马铃薯葡萄糖琼脂）培养和菌落直径测定开展10种植物病原真菌的体外抑菌试验；以番茄盆栽接种Cg、Fo和Fs，SeNMs按15 μg mL^?1每周一次共3次施用；测定病害严重度、生长与气体交换参数，采用ICP-MS（inductively coupled plasma mass spectrometry，电感耦合等离子体质谱）测定叶和根Se含量，组织染色与生化法检测活性氧（ROS）、MDA（malondialdehyde，丙二醛）、H₂O₂和脯氨酸，酶活法检测SOD、CAT、POD、APX，分光光度法检测总酚、黄酮和木质素，UPLC–MS/MS定量SA、JA、ABA，qPCR（real-time quantitative PCR，实时定量PCR）分析防御相关基因。供试病原菌株保存于浙江省林业科学研究院实验室（Zhejiang Academy of Forestry, Zhejiang, China）。

研究结果：
3.1 Antifungal activity of SeNMs against phytopathogens：通过PDA体外菌落生长抑制试验对10种病原真菌测试，SeNMs以浓度依赖方式降低径向菌丝生长，R²为0.846–0.983，15 μg mL^?1抑制最强；不同菌株敏感性不同，据此选Cg、Fo、Fs进行体内试验。
3.2 SeNMs treatment reduces disease severity under fungal infection in tomato：通过盆栽接种和坏死叶面积、枯萎指数、根腐严重度指数测定，Cg、Fo、Fs侵染加重病情，SeNMs处理显著降低三类病害严重度。
3.3 SeNMs alleviate pathogen-induced growth inhibition and restore physiological functions：通过生长、生物量、叶绿素、气体交换和Se积累测定，病原侵染降低株高、地上/根部生物量、叶绿素和光合参数，SeNMs恢复这些指标并提高地上部和根部Se含量。
3.4 SeNMs reduce oxidative damage and preserve photosynthetic performance under pathogen stress：通过NBT/DAB染色、MDA/脯氨酸/H₂O₂定量和叶绿素荧光成像，病原侵染增加O₂^˙?、H₂O₂与氧化损伤并降低F_v/F_m（maximum quantum efficiency of photosystem II，光系统II最大量子效率），SeNMs减轻ROS积累、降低MDA/脯氨酸/H₂O₂并改善PSII光化学效率，效应具组织和病原依赖性。
3.5 SeNMs modulate antioxidant defense systems：通过测定地上部和根部SOD、CAT、POD、APX活性，病原侵染总体上抑制地上部抗氧化酶，根部响应更复杂；SeNMs恢复地上部并进一步增强根部抗氧化酶活性，呈组织、酶和病原依赖。
3.6 SeNMs modulate phenolic metabolism and structural defense under pathogen stress：通过总酚、黄酮和木质素含量测定，侵染诱导地上部和根部酚类与黄酮积累，木质素在地上部降低、根部增加；SeNMs进一步提高酚类、黄酮和木质素积累，根部诱导通常更强。
3.7 SeNMs attenuate pathogen-induced phytohormone accumulation in a tissue and pathogen-dependent manner：通过UPLC–MS/MS定量SA、JA、ABA，土传Fo/Fs强烈提高根部SA、JA、ABA，叶部Cg根部响应较弱；SeNMs显著降低部分根部SA/ABA，JA均值下降但多未达显著，整体表现为减弱胁迫相关激素积累而非直接诱导。
3.8 SeNMs differentially regulate defense-related gene expression in tomato：通过qPCR和热图分析，病原侵染在地上部抑制SlSOD、SlCAT、SlPAL、SlPR1并诱导SlRBOH4，在根部则强烈诱导防御基因；SeNMs逆转地上部抑制并增强根部SlSOD、SlCAT、SlPAL、SlPR1、SlMYB等表达，协调抗氧化、苯丙烷和防御信号。

讨论部分总结：讨论强调SeNMs具有直接抑制真菌和增强宿主抗性的双重保护作用；广谱抑菌提示其可能干扰保守真菌过程，但研究未直接检测真菌超微结构和细胞水平活力。生长与光合恢复与Se吸收和转运相关；ROS降低与抗氧化酶活性增强相关；酚类、黄酮和木质素增强结构防御；激素响应呈组织和侵染部位依赖，SeNMs显著改变时方向为降低；转录重编程协调抗氧化、苯丙烷、结构和信号通路；根部在土传侵染下响应更强，表明番茄在侵染部位优先调动防御代谢。

研究结论翻译：SeNMs抑制多种真菌病原体并降低番茄病害严重度，同时以组织特异性方式改变宿主防御代谢。SeNMs处理恢复生长和光合性能，限制ROS积累和膜损伤，增强抗氧化酶活性以及酚类、黄酮和木质素积累，减弱根部胁迫相关SA、JA和ABA积累，并调节防御相关基因表达。这些响应在土传侵染下的根部中持续强于地上部，表明番茄在侵染部位优先调动防御代谢。田间验证、剂量优化和安全性评估仍是SeNMs实际应用前所必需的。