整合的转录组学和表型分析揭示了硫代葡萄糖苷（sulforaphane）对水稻黄单胞菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzicola）的多靶点抗菌机制

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Integrated transcriptomic and phenotypic analysis reveals the multi-target antibacterial mechanism of sulforaphane against Xanthomonas oryzae pv. oryzicola

植物病原菌防控新策略： sulforaphane（SFN）对稻白叶枯病菌（Xoc）的广谱抗菌作用及多靶点机制研究，证实其EC50为5.47?μg/mL，田间试验显示100?μg/mL浓度下防护和治愈率分别达57.91%和56.70%，显著优于铜制剂。通过电镜、生理生化及转录组分析揭示其破坏细胞膜、抑制能量代谢及生物膜形成机制。

　　

梁志阳|朱法迪|叶火春|王进|徐志远|王静文|冯刚|张静

中国海南大学热带农业与林业学院，海口570228

摘要

植物病原细菌对全球农作物生产构成了重大威胁，因此需要开发新型且可持续的杀菌剂。来自十字花科蔬菜的天然异硫氰酸酯——硫代葡萄糖苷（SFN）具有多种生物活性，包括抗菌特性。本研究全面评估了SFN对水稻细菌性条斑病病原菌Xanthomonas oryzae pv. oryzicola（Xoc）的抗菌效果及其作用机制。体外实验表明，SFN对12种植物病原菌具有广谱抗菌活性，尤其是对Xoc的抑制效果显著，其EC??值为5.47 μg/mL。体内盆栽实验显示，100 μg/mL浓度的SFN既能预防（57.91%）也能治疗（56.70%）该病害，其效果优于噻二唑铜，并与卡苏甘霉素相当。生理和生化分析表明，SFN通过破坏细胞膜完整性、干扰鞭毛结构与运动能力以及减少细胞外多糖的产生和生物膜形成来发挥抗菌作用。整合转录组学和表型分析结果显示，SFN持续抑制氧化磷酸化途径，导致ATP水平下降、活性氧（ROS）积累增加，最终影响能量代谢和膜电位。同时，它还下调了鞭毛组装及相关途径。这些发现表明，SFN通过涉及能量代谢紊乱和毒力抑制的协同多靶点机制对Xoc发挥显著抗菌作用。本研究不仅深入探讨了SFN的作用机制，还表明其是一种极具开发潜力的天然先导化合物，可用于生产环保型杀菌剂。

引言

植物病原细菌严重威胁农作物产量和质量，是农业中第二大病原体群体（Sharma等，2022年）。超过500种植物病害由细菌病原体引起，主要来自Xanthomonas、Ralstonia和Pseudomonas属（Mansfield等，2012年）。仅Xanthomonas属就可感染400多种作物，如水稻、柑橘和芒果（Timilsina等，2020年）。水稻细菌性条斑病（BLS）由Xanthomonas oryzae pv. oryzicola引起，会导致水浸状病斑和坏死条纹，严重影响光合作用能力（Ni?o-Liu等，2006年）。该病害的发生率会显著降低水稻产量，严重感染时产量可能减少30%以上，对水稻的生产量和质量构成重大威胁（Cai等，2017年）。由于抗性品种稀缺且生物防治效果不稳定，杀菌剂仍是主要控制手段（Sundin等，2016年），但含铜农药通常混配性差，可能对敏感作物造成损害（Lamichhane等，2018年）。长期使用单一作用机制的农业抗生素会导致植物病原菌产生抗性（Sundin和Wang，2018年），因此迫切需要开发具有新机制、高效力和低毒性的新型杀菌剂。

从天然产物中发现活性化合物是开发新农药的基础（Sparks和Bryant，2022年）。植物来源的抗菌剂因能在宿主植物中预先适应且环境持久性通常低于合成化合物而受到特别关注（Lengai等，2020年）。硫代葡萄糖苷（SFN）存在于西兰花等十字花科蔬菜中，具有多种药理作用，包括抗菌特性（Wang等，2024年）。研究表明，它对人类病原菌如E. coli和S. aureus具有广谱抗菌活性（Johansson等，2008年；Nowicki等，2019年）。针对植物病原细菌，最新研究表明，SFN通过直接结合并抑制氧化应激调节因子OxyR来抑制多种Xanthomonas菌株的生长和毒力，从而破坏细菌的抗氧化防御系统（Wang等，2022a）。此外，Wang等发现，15–40 μM浓度的SFN没有致死效果；其主要作用是通过修饰Pseudomonas syringae的HrpS Cys209来特异性抑制III型分泌系统（TTSS）。这种抗毒力机制对具有敏感HrpS的病原菌有效（Wang等，2020年）。He等分析了不同甘蓝品种中的SFN含量并优化了提取方法，发现富含SFN的提取物对包括Xanthomonas campestris在内的多种植物病原菌具有抗菌活性，效果与头孢噻肟钠相当（He等，2024年）。这些发现共同表明，SFN是开发针对植物病原细菌的化学物质的有希望的先导候选物。

尽管现有研究已证实SFN对某些植物病原细菌的抑制作用并阐明了其干扰毒力因子的机制（Wang等，2022a；He等，2024；Wang等，2024），但目前的研究主要集中在模式宿主植物（如Brassica oleracea）及其次生代谢物SFN与特定病原菌（如Xanthomonas campestris pv. campestris（Xcc）之间的相互作用。迄今为止，SFN对更多重要农业病原菌的抗菌谱及其体内控制效果尚未得到系统评估，其直接的杀菌机制也尚未完全阐明。因此，系统阐明SFN对多种关键植物病原菌的抗菌谱、体内保护效果及其潜在的分子机制对于全面评估其农业应用前景及其作为环境可持续植物保护剂的开发至关重要。

在本研究中，我们首先评估了SFN对12种植物病原细菌（包括Xanthomonas oryzae pv. oryzicola、Xanthomonas oryzae pv. oryzae和Acidovorax citrulli）的体外抗菌效果。根据其敏感性，选择Xanthomonas oryzae pv. oryzicola（Xoc）作为模型病原菌，进一步评估其体外和体内活性。随后通过电子显微镜（SEM/TEM）、生理和生化检测以及转录组分析系统研究了其抗菌机制。

测试化合物

SFN（纯度97%）购自山东科源生化有限公司。卡苏甘霉素（KSM，6%水溶液）由陕西美卡洛生物技术有限公司提供。噻二唑铜（TC，20%悬浮浓缩液）由浙江龙湾化工有限公司生产。

测试病原菌

Xanthomonas oryzae pv. oryzae（Xoo）、Xanthomonas oryzae pv. oryzicola（Xoc）、Xanthomonas citri pv. mangiferaeindicae（Xcm）、Xanthomonas axonopodis pv. citri（Xag）、Xanthomonas fragariae（Xf）、Xanthomonas campestris pv.

抗菌谱的确定

使用浊度法评估了100 μg/mL浓度SFN对12种植物病原菌菌株的抗菌活性。结果表明，SFN对几乎所有测试菌株均具有显著抗菌作用，Xcc除外（图1）。值得注意的是，SFN对Xoc和Xcm的抑制率分别达到98.34%和98.49%。此外，SFN还显示出

讨论

本研究表明，SFN对12种测试的植物病原细菌具有广谱抗菌活性，尤其在体外对Xoc的效果显著。体外的EC??值为5.47 μg/mL，100 μg/mL浓度下的预防和治疗效果分别为57.91%和56.70%。这些结果优于商业杀菌剂噻二唑铜，并与卡苏甘霉素相当。

结论

总之，本研究表明，SFN通过协调的多靶点机制对Xoc发挥强效抗菌作用。它直接破坏细胞膜，抑制鞭毛驱动的毒力网络，并通过持续抑制氧化磷酸化过程破坏能量代谢，导致ATP耗尽和活性氧积累。这些发现填补了关于SFN抗菌谱和体内效果的认知空白。

CRediT作者贡献声明

梁志阳：撰写——初稿、研究、数据分析、概念构建。朱法迪：撰写——审稿与编辑、验证、研究、数据分析。叶火春：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法学研究。王进：数据可视化、数据管理。徐志远：研究。王静文：研究。冯刚：撰写——审稿与编辑、监督、资金申请。张静：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。

未引用参考文献

Zhang等，2025

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32372598）和中国热带农业科学院（编号1630062025016、1630042025010）的财政支持。