酒石酸对葡萄白腐病和灰霉病的抗真菌机制及病害防控潜力研究

《Scientia Horticulturae》：Antifungal mechanisms and disease control potential of tartaric acid on grape white rot and gray mold

　　

酒石酸对Coniella vitis表现出显著的体外抑制作用。该化合物在采后贮藏阶段可有效控制葡萄白腐病和灰霉病。酒石酸能够扰乱两种病原菌的细胞膜稳态。转录组学和代谢组学分析揭示，酒石酸可破坏C. vitis的氨基酸和碳水化合物代谢。植物细胞壁降解酶（PCWDEs）的基因表达和酶活性均受到酒石酸的抑制。

论文解读

一、研究背景与意义

葡萄是全球经济价值最高的水果作物之一，广泛用于鲜食、酿酒和加工制品。然而，葡萄生产频繁遭受多种真菌病原菌的威胁，其中由Botrytis cinerea引起的灰霉病和由Coniella spp.引起的白腐病是两种最具破坏性的真菌病害，严重损害葡萄产量和品质。尤其在采后贮藏阶段，这些病害导致果实腐烂和软化，不仅给种植者造成重大经济损失，也危及全球葡萄产业的可持续性。

目前，化学杀菌剂仍是防治葡萄灰霉病和白腐病的主要策略。然而，长期过量使用化学杀菌剂引发了一系列严重问题，包括病原菌抗药性的演化、环境污染以及葡萄产品中的残留毒性对人类健康构成的潜在风险。随着全球对食品安全和生态环境保护关注度的日益提升，开发安全、高效、环境友好的替代性病害防控策略已成为葡萄生产的迫切需求。

植物源天然产物因其低毒性和环境相容性而作为潜在生物防治剂受到广泛关注。有机酸是一类广泛分布于水果和蔬菜等天然食品源中的化合物，近年来越来越多的证据表明有机酸对多种病原菌具有显著的抗菌活性。酒石酸作为一种天然有机酸，广泛分布于水果中，尤其在葡萄中含量丰富，是调节果实风味和品质的主要有机酸组分之一。已有研究表明酒石酸对菠菜和油菜中分离的腐败细菌具有抑制作用，其衍生物对革兰氏阳性和阴性细菌均表现出强效抗菌活性。然而，现有研究大多聚焦于酒石酸对若干植物病害的抗菌活性，其针对真菌病原菌的详细作用机制仍未得到充分阐明，酒石酸在葡萄真菌病害管理中的应用也基本未被探索。

二、研究内容与结论

本研究旨在探讨酒石酸在体外和体内条件下对B. cinerea和C. vitis的抗真菌活性。研究人员采用形态学、生理学、转录组学、靶向代谢组学和酶活性测定等多种分析手段，阐明酒石酸作用的抗真菌机制。研究结果表明，酒石酸通过破坏病原菌细胞膜稳态、干扰氨基酸和碳水化合物代谢以及抑制细胞壁降解酶（PCWDEs）的表达和活性，实现对葡萄白腐病和灰霉病的有效防控。这些发现拓展了对有机酸介导的葡萄抗病性的理解，并支持开发基于酒石酸的制剂作为葡萄栽培中真菌病害管理的替代方案。

三、关键技术方法

研究人员首先对西北农林科技大学种质资源圃种植的四个葡萄品种（'Shine Muscat'、'Manicure Finger'、'Gold Finger'和'Red Globe'）进行C. vitis接种，比较抗病品种'Shine Muscat'与感病品种'Manicure Finger'中有机酸动态变化。采用LC-MS/MS系统定量苹果酸、酒石酸、柠檬酸和琥珀酸含量。通过PI染色、扫描电子显微镜（SEM）、丙二醛（MDA）含量测定、核酸和蛋白质泄漏检测评估细胞膜完整性。对酒石酸处理的C. vitis菌丝进行转录组测序（RNA-Seq），并利用qRT-PCR验证差异表达基因（DEGs）。通过离子色谱法测定葡萄糖含量，LC-MS/MS定量氨基酸含量，并测定果胶酯酶（PE）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）和β-葡萄糖苷酶的酶活性。

四、研究结果

感病品种'Manicure Finger'呈现酸性生理特征。 接种C. vitis后，感病品种'Manicure Finger'叶片和果实的pH值显著低于抗病品种'Shine Muscat'，可滴定酸含量则显著高于抗病品种。在叶片中，'Manicure Finger'的苹果酸、柠檬酸和琥珀酸含量在24、48和72小时显著高于'Shine Muscat'；在果实中，'Manicure Finger'的酒石酸含量显著高于'Shine Muscat'，而苹果酸和柠檬酸含量则显著低于抗病品种。这些结果表明感病品种在C. vitis侵染后表现出酸性生理特征。

酒石酸抑制C. vitis分生孢子萌发。 在pH 2至5范围内，酒石酸对C. vitis分生孢子萌发表现出强抑制作用，其中pH 2时抑制率达96.37%。与酒石酸不同，苹果酸、PBS缓冲液或HCl在相同pH条件下均未抑制孢子萌发。这些发现表明酸性条件更有利于C. vitis孢子萌发，而酒石酸的抑制作用可能不完全依赖于其诱导的酸性环境。

酒石酸控制葡萄果实白腐病。 在采后葡萄果实中，酒石酸处理显著降低了感病品种'Manicure Finger'和'Gold Finger'的病变面积。在'Manicure Finger'果实中，pH 3和pH 4酒石酸处理在3天时的防治效果分别为56.36%和38.56%；在'Gold Finger'果实中，防治效果范围为25.26%至46.73%。田间试验中，pH 3和pH 4酒石酸处理在10天时将腐烂率分别显著降低74.79%和57.08%。

酒石酸控制葡萄叶片和果实灰霉病。 在'Red Globe'葡萄叶片中，pH 3和pH 4酒石酸处理分别将病害严重程度降低69.27%和66.45%；在果实中，pH 3和pH 4处理在3天时的防治效果分别达到70.99%和41.25%。

酒石酸对葡萄果实品质的影响。 酒石酸处理与对照在果实外观、可溶性固形物和硬度方面无显著差异，但果实可滴定酸度在处理后5天显著增加，9天时下降。

酒石酸对B. cinerea和C. vitis的抗真菌活性。 PI染色显示酒石酸处理的两种病原菌菌丝呈现更广泛和强烈的红色荧光，表明细胞膜通透性增加。SEM观察显示酒石酸处理导致菌丝表面皱缩和褶皱。酒石酸处理组的MDA含量显著高于对照。OD₂₆₀和OD₂₈₀值在酒石酸处理后显著升高，表明核酸和蛋白质发生泄漏。这些结果证明酒石酸破坏细胞膜完整性，导致细胞内蛋白质和核酸泄漏。

酒石酸处理C. vitis的转录组分析。 与对照相比，酒石酸处理6小时和12小时后分别有409个和226个DEGs显著上调，436个和517个DEGs显著下调。KEGG富集分析显示这些DEGs主要富集在代谢通路（碳水化合物、氨基酸、核苷酸和脂质代谢）和次级代谢物生物合成通路。

酒石酸破坏C. vitis的氨基酸和碳水化合物代谢。 与异亮氨酸、缬氨酸、丝氨酸、谷氨酸和丙氨酸生物合成相关的基因在酒石酸处理的C. vitis中显著下调。与转录组变化一致，这五种氨基酸的含量在酒石酸处理组中显著降低。碳水化合物代谢相关基因表达和细胞葡萄糖水平也显著下降。

酒石酸抑制C. vitis细胞壁降解酶活性。 转录组分析显示酒石酸处理显著抑制C. vitis PCWDEs的表达，包括果胶裂解酶、果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶和β-葡萄糖苷酶。qRT-PCR验证了这些基因的下调。与qRT-PCR结果一致，果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶和β-葡萄糖苷酶的酶活性在酒石酸处理的C. vitis中也显著受到抑制。

五、讨论与结论

讨论部分指出，酒石酸通过双重抗真菌作用模式发挥效应：一方面破坏真菌细胞膜的生理稳态，另一方面阻断细胞壁生物合成，从而全面抑制C. vitis的生长和发育。酒石酸对细胞壁降解酶的抑制作用可能源于其在C. vitis中的特异性分子靶点。相较于生物防治剂在田间应用中存在的环境敏感性高、见效慢和广谱防治性能不足等局限性，酒石酸作为葡萄来源的天然抗真菌代谢物，在采前和采后葡萄真菌病害的绿色、高效和可持续防控中具有重要应用潜力。本研究的一个局限性是缺乏商业杀菌剂对照，无法直接比较酒石酸与传统化学处理的田间防效。未来研究应聚焦于优化施用方案、评估与其他生物农药的协同效应、酒石酸对葡萄组织的毒性阈值以及经济可行性。

研究结论：本研究确立了差异有机酸积累和pH调节与葡萄白腐病抗性密切相关。酒石酸作为一种抗真菌分子，通过膜损伤、代谢干扰和毒力基因抑制来抑制病原菌，同时有效控制葡萄叶片和果实中的白腐病和灰霉病。这些发现拓展了对有机酸介导的葡萄抗病性的理解，并支持开发基于酒石酸的制剂作为葡萄栽培中真菌病害管理的替代方案。