《Journal of Fungi》：Advances in the Control of Plant Fungal Pathogens
Paloma Sánchez-Torres
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真菌是植物病害的主要致病因子，对农业系统造成显著且反复的损害。其活动导致作物生产力和食品质量的显著降低，最终加剧植物衰退和经济损失。据估计，植物病原真菌可危及全球高达30%的农业产量。为减轻微生物造成的变质，已采用多种防控策略，其中化学杀菌剂是最广泛使用的干预
真菌是植物病害的主要致病因子，对农业系统造成显著且反复的损害。其活动导致作物生产力和食品质量的显著降低，最终加剧植物衰退和经济损失。据估计，植物病原真菌可危及全球高达30%的农业产量。为减轻微生物造成的变质，已采用多种防控策略，其中化学杀菌剂是最广泛使用的干预措施之一。然而，由于杀菌剂抗性日益普遍、化学品应用的监管框架日趋严格以及市场需求的不断演变，当前的真菌防控方法正在迅速转变。综上所述，这些因素施加了新的限制，并推动了用于有效食品控制的更具可持续性的替代方案的开发。本综述探讨了用于控制植物真菌病害的多样化策略，重点介绍了生防制剂（BCAs）和生物杀菌剂的进展，以及分子生物学、基因组学和生物技术领域的新型工具。其目的是强调可纳入综合病害管理方法的近期发展和前景。
1. 引言
植物病原真菌仍然是全球农业生产中最具破坏性的威胁之一，导致严重的产量损失，破坏粮食安全及种植系统的长期可持续性。气候变化、农业集约化、高毒力谱系迅速出现以及杀菌剂抗性种群广泛进化等因素，使得环境条件愈发有利于病害发展，从而加剧了真菌的影响。因此，真菌病害的有效管理已成为当代作物保护面临的严峻挑战。
分子生物学、基因组学、生物技术和综合病害管理的最新进展，极大地加深了对宿主-病原体相互作用的理解，并为病害控制开辟了新的可能性。诸如高分辨率诊断工具、基因组编辑平台、改进的生防制剂以及预测性流行病学模型等创新成果，正在改变当前真菌病害管理的模式。这些进展为传统杀菌剂提供了有前景的替代品，后者的有效性正日益受到抗性进化和监管框架收紧的威胁。
本综述总结了植物病原真菌防控的主要科学和技术进展，强调旨在改善病害抑制和减少环境影响的新兴策略。通过整合分子研究、生态学原理和应用植物病理学的知识，描述了该领域的现状，并讨论了真菌病害可持续防控的未来方向。
2. 改进的生防制剂
目前，由于其环境相容性和较低的耐药风险，生防方法作为传统化学处理的可持续替代品获得了更高的关注度。其中的关键方法包括使用拮抗微生物，如真菌、酵母、细菌和病毒。
在各种生物防治方案中，微生物拮抗剂因其多功能抗性机制、适应性、环境安全性、广泛可用性以及快速实现高产的能力而脱颖而出。这些微生物通常存在于果蔬表面以及植物组织、根系和土壤中。主要的微生物拮抗剂类群包括真菌、酵母、细菌和病毒。它们的作用机制包括通过与营养和空间竞争、寄生、抗生素合成以及对宿主抗性的诱导等过程与病原真菌发生直接相互作用。
2.1 丝状真菌生防制剂
真菌生防制剂是一类重要的生物拮抗剂，能够通过多种机制抑制植物病原真菌，如营养和空间竞争、重寄生（mycoparasitism）、抗生作用（antibiosis）以及激活宿主防御反应。其中，木霉属（Trichoderma）物种因其快速生长、强竞争力以及产生广泛的水解酶和抗真菌次级代谢物而备受关注。Trichoderma harzianum、T. atroviride和 T. virens等物种已证明对许多采前和采后病原体具有广谱功效。木霉能够定殖根际并与土传病原体竞争，同时其酶库——特别是几丁质酶、葡聚糖酶和蛋白酶——能够降解 Fusarium、Rhizoctonia和 Sclerotinia等病原体的真菌细胞壁。其他真菌类群，如 Aureobasidium、Clonostachys以及某些非致病性菌株的 Fusarium和 Penicillium，也显示出有希望的生防潜力。尽管具有潜力，但真菌生防制剂的性能受温度、湿度和紫外线辐射等非生物因素的强烈影响，以及与本土微生物群的相互作用。因此，目前的研究集中在菌株筛选、制剂技术以及阐明拮抗作用的分子机制上，以提高其稳定性、功效和大田适用性。
2.2 酵母生防制剂
酵母因其生态多功能性、快速定殖能力和公认的安全性而成为另一类有前途的生物防治剂。其有效性主要归因于它们在植物表面（尤其是伤口和其他感染区域）对营养和空间的强劲竞争力。酵母还广泛应用于可持续农业的地上（表生）环境，作为有效的生防剂和生物刺激剂。它们能迅速定殖于植物表面（包括叶、果和花），与病原体竞争营养和空间，同时增强植物的免疫反应。几个酵母属，包括 Candida、Metschnikowia、Pichia、Aureobasidium和 Rhodotorula，已显示出对多种植物病原真菌的强大拮抗活性。例如，Metschnikowia pulcherrima产生红粉素（pulcherrimin），这是一种铁螯合色素，通过限制必需的微量营养素来抑制病原体生长。然而，酵母作为生防制剂的性能可能受营养可用性、与本土微生物群的相互作用以及果实表面理化性质的影响。目前的研究旨在改进制剂技术，揭示拮抗作用的分子机制，并探索与其他生物或天然化合物的协同组合，以提高其在商业条件下的稳定性和功效。
2.3 细菌生防制剂
细菌生防制剂（BCAs）因其代谢多样性、快速增殖以及定殖于根际、叶际和采后环境等多种植物环境的能力而被广泛研究和应用。它们对植物病原真菌的拮抗活性涉及多种过程，如抗菌代谢物的合成、营养和不同生态位的竞争、诱导植物产生广谱抗性（ISR）以及分泌能够降解真菌细胞壁的裂解酶。在细菌属中，芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）是研究最广泛的。芽孢杆菌属物种，特别是 B. subtilis、B. amyloliquefaciens和 B. velezensis，因能产生内生孢子而著称，这赋予了它们在不利环境条件下卓越的稳定性和持久性。这些物种合成了广泛的生物活性脂肽，如表面活性素（surfactin）、伊枯草菌素（iturin）和丰原素（fengicin）。假单胞菌属物种，特别是 P. fluorescens和 P. putida，产生铁载体、抗生素和挥发性有机化合物，抑制真菌生长。许多菌株还能触发植物中的诱导系统抗性（ISR），提高植物抵御后续病原体攻击的能力。然而，细菌拮抗剂的性能受环境变异性、微生物竞争和制剂挑战的影响。目前的研究集中在优化菌株选择、改进制剂技术和阐明拮抗作用的分子机制上，以增加其在田间和采后条件下的可靠性和有效性。
2.4 病毒作为生防制剂
利用病毒作为植物病原真菌的生物防治剂已成为综合病害管理中的一种有前景的策略，具有高特异性、环境安全性和长期效益。其核心是利用真菌病毒（mycoviruses）诱导低毒力（hypovirulence），定义为真菌宿主毒力的显著降低。这种现象使真菌病毒成为化学杀菌剂的潜在生物替代品。低毒力可通过多种生理和分子机制产生，如真菌代谢的改变，包括细胞壁产生的减少。最成功和研究最深入的栗子疫病真菌病毒1型（Cryphonectriahypovirus 1, CHV1）已被用于控制由 Cryphonectria parasitica引起的栗疫病。然而，显著的局限性仍然存在，包括在有性生殖不亲和系统中水平传播的受限、病毒颗粒环境稳定性的多变以及需要受控接种策略以确保在大田成功定殖。
2.5 植物生物活性化合物
除了微生物拮抗剂外，植物还会产生多种生物活性化合物，在抵御病原真菌和其他生物胁迫因素中发挥重要作用。这些分子被归类为次级代谢物，虽然对基本代谢功能非必需，但对于病原体压力下的植物适应、交流和生存至关重要。植物中的生物活性化合物可大致分为酚类、萜类、生物碱、含硫化合物以及生物活性肽或蛋白质。一般来说，这些化合物通过直接机制促进植物防御，如抑制真菌生长、改变膜完整性、螯合必需营养素以及干扰病原体的酶活性。它们还可以作为信号通路的关键调节因子参与间接防御，如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET），这些通路协调局部和系统性免疫反应。然而，植物生物活性化合物面临商业化治疗应用的重大障碍，主要是稳定性低、生物利用度差和水溶性有限。此外，高昂的提取成本、与溶剂使用相关的环境影响以及原料植物材料质量的变异性阻碍了这些化合物的一致和可扩展生产。
3. 基于CRISPR的基因组编辑诊断
基因组编辑平台等创新正在重塑现代农业中真菌病原体控制的格局。这些技术使得对植物病原真菌生物学的理解更加精确，改善了感染的早期检测，并促进了具有更强遗传抗性作物的开发。CRISPR-Cas系统的出现以前所未有的精确度开辟了理解和控制植物病原真菌的新途径。与传统方法不同，CRISPR系统能够以单核苷酸分辨率进行特定修饰，从而允许分析宿主-病原体相互作用并更有效地设计抗病作物。CRISPR已被广泛用于修饰与植物易感性（S基因）和免疫（R基因）相关的基因。通过失活易感基因或增强抗性基因的表达，研究人员已成功培育出对主要真菌病原体具有更强抗性的作物。这种策略特别有效，因为它避免了外源DNA的引入，能够培育出符合不断发展的监管框架并被公众接受的非转基因抗性品种。CRISPR还成为研究真菌毒力机制的强大工具。在真菌中进行基因组编辑允许选择性破坏效应蛋白基因、信号通路和对感染至关重要的代谢过程。乙烯响应因子（ERF）转录因子是植物生长和抗逆性的核心调节因子。新兴技术，如基于CRISPR的基因组编辑，可以利用ERF调控网络，为开发具有精确调节适应性的作物提供有前景的策略，从而实现即使在气候变化条件下的可持续农业。
4. RNA干扰（RNAi）
RNA干扰（RNAi）已成为控制植物真菌病原体的重要且高度特异性的策略。它包含一种保守的真核调控机制，基于小干扰RNA（siRNAs）导致靶mRNA的降解或沉默。目前，有两种基于RNAi的植物保护方法：宿主诱导的基因沉默（HIGS）和喷洒诱导的基因沉默（SIGS）。HIGS涉及在宿主植物中转基因表达双链RNA（dsRNA），随后被入侵的真菌摄取，导致对感染至关重要的病原体基因沉默。这种策略已证明对几种真菌病原体具有强大的功效。HIGS提供持久的保护，但需要宿主的遗传修饰，这限制了其在某些作物和市场中的监管接受度和适用性。相比之下，SIGS基于将dsRNA或siRNA分子外源施用于植物表面。这些RNA分子可被真菌孢子或菌丝直接吸收，触发基因沉默，而无需转基因植物。SIGS因其灵活性、安全性和与综合虫害管理计划的兼容性而日益重要。RNAi的成功取决于dsRNA被病原体摄取的效率、RNA分子在环境条件下的稳定性以及合适遗传靶点的选择。纳米载体技术的进展，如粘土纳米片、脂质体和聚合物纳米颗粒，提高了dsRNA的抗紫外线降解保护并优化了其递送至真菌细胞的过程。然而，RNAi技术面临几个障碍以实现广泛的市场采用。监管框架仍然分散，各国对评估dsRNA产品的标准不一。在商业化方面，高生产成本、有限的大规模制造能力以及稳健递送系统（确保在田间条件下稳定性和摄取）的需求仍然是主要障碍。总体而言，RNAi技术显示出巨大潜力，但监管协调、经济高效的生产和经过验证的田间性能对于成功的商业化至关重要。
5. 用于真菌病害管理的纳米技术
纳米技术是管理和控制农业和采后系统中真菌病害的另一项有影响力的多功能工具。其相关性在于纳米材料独特的特性（高比表面积、可调的反应性以及设计和控制释放的能力），这些特性共同克服了与传统杀菌剂和抗真菌剂相关的许多局限性。最近的研究表明，金属和金属氧化物纳米颗粒，如银、铜、氧化锌和氧化铁，通过产生活性氧（ROS）、破坏膜结构以及干扰线粒体和基因组完整性等过程发挥强大的抗真菌活性。另一方面，基于生物聚合物的纳米载体，特别是那些用壳聚糖、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）或海藻酸盐配制的载体，允许封装合成杀菌剂、精油、肽或天然抗真菌化合物，从而提高溶解度、稳定性和释放动力学，同时降低毒性。在作物保护中，纳米制剂杀菌剂改善了粘附性、紫外线稳定性和控释性，在田间条件下提高了功效，同时减少了施用频率和化学负荷。采后系统受益于结合抗真菌纳米颗粒的纳米涂层、纳米乳液和可食用薄膜，延长了保质期并减少了浪费。然而，纳米技术面临着与环境毒性、人类健康风险和伦理考虑相关的重大挑战，主要是由于纳米级材料的行为往往与其宏观对应物相比不可预测。纳米技术因全球标准分散、毒理学信息不完整以及风险评估框架不断发展而面临重大的监管和商业化挑战。尽管如此，刺激响应型纳米载体、纳米技术支持的RNAi/CRISPR递送、绿色纳米颗粒合成以及与组学驱动的精准农业的整合等进展，指出了日益可持续和多功能的真菌病害管理纳米策略。
6. 适体（Aptamers）
适体是由核糖核酸（RNA）或单链脱氧核糖核酸（ssDNA）组成的短核酸序列，长度通常在25到80个碱基之间。它们能够选择性地与特定目标分子结合，其功能可与单克隆抗体相媲美。适体的显着适应性源于其使用SELEX（指数富集配体系统进化）进行的体外筛选，这一过程允许分离出能够以高亲和力识别几乎任何真菌靶标的核酸分子。这些靶点可以包括对病原体存活至关重要的酶、宿主定殖所需的毒力因子、真菌细胞壁的结构成分或调节植物免疫反应的分泌效应蛋白。通过设计适体结合这些分子决定簇，可以以高度选择性的方式和机制精度破坏关键的生物过程。尽管适体技术仍处于新兴阶段，但其在转化未来植物病害控制策略方面具有巨大潜力。适体与纳米技术的结合进一步增强了适体传感器中的信号放大，实现了更快的诊断，降低了分析成本，并提高了整体准确性。一项最新的DNA适体应用靶向灰霉菌（Botrytis cinerea）中的关键抗氧化酶BcSOD1，提供了一种高度特异性的抑制真菌毒力的策略。然而，适体技术面临若干监管和商业化挑战，限制了其在诊断、治疗和生物检测中的广泛应用。监管框架不如抗体成熟和标准，导致适体审批过程的不确定性。市场采用也因终端用户知识有限、与完善的抗体平台的竞争以及需要在实际基质中进行严格验证而放缓。
7. 结语与未来展望
由气候变化、农业集约化和杀菌剂抗性迅速进化驱动的真菌病害日益增长的压力，凸显了对创新和可持续植物保护策略的迫切需求。本综述强调了从依赖传统化学杀菌剂向更多样化和综合化方法转变的明显趋势。生物防治剂因其生态适应性和多种拮抗机制在这一转型中仍然至关重要；然而，它们在田间条件下表现的不一致性强调了改进制剂、稳定化和应用系统的必要性。植物源性生物活性化合物进一步扩展了天然抗真菌防御的库，直接作用于病原体并间接调节植物的免疫反应。与此同时，基因组编辑平台和RNA干扰技术提供了靶向真菌基因的空前特异性。诸如喷洒诱导的基因沉默（SIGS）等非转基因机制引发了一场令人兴奋的革命，尽管必须解决与环境稳定性、吸收效率和生产成本相关的挑战才能实现更广泛的实施。纳米技术作为一种强大的赋能平台正在兴起，能够提高抗真菌药物的递送、持久性和有效性。然而，其采用需要对环境归宿、生物安全性和监管框架进行严格评估。此外，适体代表了一类有前景的精密分子工具，可用于病原体检测和靶向抑制毒力因子。展望未来，加强生防制剂的稳健性，通过先进的菌株筛选、优化的制剂和改良的生态相容性是必不可少的。利用植物代谢途径通过代谢工程或激发子策略可能实现对内源性防御的受控增强。RNAi技术的持续进展将取决于开发出能够确保dsRNA在不同真菌分类群中有效摄取的稳定且具有成本效益的递送系统。安全且对环境负责的纳米材料的设计，辅以全面的生态毒理学评估，对其负责任地实施至关重要。基于适体的实用诊断和靶向控制平台的扩展可以进一步推进精确病害管理。最终，将这些工具有机地整合到针对特定作物的综合病害管理计划中，将是实现真菌病原体持久且环境安全的控制的关键。
