由废弃物和病原体衍生的新型壳聚糖–β-葡聚糖纳米复合材料通过协调植物免疫、光合作用与碳水化合物代谢助力可持续农业

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Waste- and pathogen-derived novel chitosan–β-glucan nanocomposites coordinate plant immunity, photosynthesis and carbohydrate metabolism for sustainable agriculture

　　

# 摘要

在气候变化条件下，杀菌剂使用的不断升级正在加速抗药性进化，并污染土壤、水体和非目标生态系统，亟需可持续的作物保护策略。本研究开发了一种循环经济型生物基纳米制剂，通过将虾壳废弃物转化为壳聚糖、病原菌（齐整小菇 *Sclerotium rolfsii*）和酿酒酵母废弃物转化为β-葡聚糖，生产出壳聚糖纳米粒子（CN）、β-葡聚糖纳米粒子（Y-BG和S-BG）以及新型壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料（C-YB和C-SB）。在温室条件下，我们对这些纳米制剂在甜菜（*Beta vulgaris* L.）上对 *S. rolfsii*（一种极具破坏性的土传病原菌，寄主范围超过500种植物）的防治效果进行了全面评价，采用了综合的生理学、生化学、农学及多元统计分析方法。在所有处理中，C-SB（50 ppm）表现出最高的防治效果，使β-葡聚糖酶（217%）、几丁质酶（136%）、苯丙氨酸解氨酶（62%）、过氧化物酶（103%）、总酚类物质（44%）、叶绿素（132%）和碳同化作用（34.6%）显著增加，同时将发病率降低了88%（相对于未处理对照）。免疫激活的增强与光合效率的提高及碳同化作用的改善相协同，在温室条件下使根产量提高147%、蔗糖含量增加46%、折光率提高40%。多元分析一致表明，壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料与单独纳米粒子和生物防治标准品存在显著差异，揭示了防御酶、光合性状、碳水化合物代谢与病害抑制之间的强关联性。研究结果表明，废弃物来源的壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料可作为多功能生物诱导子，协调免疫预激与生长。通过将甲壳类动物和酿酒废弃物以及病原菌转化为高附加值作物保护剂，这一纳米技术发展提供了一种循环经济策略，以减少杀菌剂依赖、降低农业污染并推进可持续农业种植。

# 引言

合成杀菌剂的密集使用已成为现代作物保护不可或缺的部分，但同时也构成了日益严峻的环境挑战。连续且往往不加选择的杀菌剂施用导致持久性化学残留物在农业土壤、地表水、地下水和大气中积累，后者通过喷施飘移和挥发作用扩散，威胁生态系统完整性、生物多样性和人类健康。许多杀菌剂表现出较长的环境持久性，对非目标生物产生不利影响，包括有益土壤微生物群、传粉者、水生群落和自然天敌，同时破坏养分循环和土壤肥力等关键生态系统功能。此外，反复暴露加速了抗药性病原菌的进化，并促成了抗真菌耐药性的出现，凸显了对环境友好型和可持续病害管理策略的迫切需求（Chavanke等，2022；Ray等，2024；Goswami等，2026）。

在土传真菌病原菌中，齐整小菇（*Sclerotium rolfsii*，同义词 *Athelia rolfsii*）是最具破坏性的腐生营养真菌之一，感染超过500种植物，包括重要的经济作物、园艺作物和工业作物（Srivastava，2004；Manu等，2018；Farhaoui等，2024）。该病原菌通过坚韧的菌核在土壤中存活数年（Webber，1931），使根除变得极为困难，并增加了对反复施用杀菌剂的依赖。在甜菜（*Beta vulgaris* L.）中——全球蔗糖的关键贡献者，且在乙醇生产中日益重要（Mall等，2021）——*S. rolfsii* 引起严重的菌核根腐病，导致根部损失超过50%，加工质量下降，给制糖工业造成重大经济损失（Srivastava，2004）。常规病害管理仍严重依赖针对性的合成杀菌剂，特别是脱甲基抑制剂（DMIs）、醌外抑制剂（QoIs）和苯并咪唑类；然而，其长期有效性和社会可接受性日益受限。反复田间使用推动了关键病原菌中抗药性的快速进化，特别是甜菜褐斑病菌（*Cercospora beticola*），其对抗QoIs、DMIs和苯并咪唑的敏感度降低和田间防治失败已有广泛记载（Kirk等，2012；Piszczek等，2018；Liu等，2023）。这些防治失败通过多种机制发生，往往是叠加的，包括甾醇14α-脱甲基酶（CYP51）靶标位点突变、提高CYP51表达的启动子插入（Estep等，2015；Wang等，2020；Muellender等，2021；Spanner等，2021；Gutierrez Vazquez等，2022）以及ABC和MFS外排转运体的过表达（Bolton等，2016；Gutierrez Vazquez等，2022），导致广泛的交叉抗性和防治效果的逐步削弱。在其他重要经济病原菌中也报告了类似的抗性轨迹，凸显了单靶标化学品的脆弱性（Bolton等，2012；Estep等，2015；Li等，2021；Gur等，2025）。同样，Zehra等（2018）报告了 *S. rolfsii* 对多菌灵和菌核净杀菌剂的高水平抗性。Elagamey等（2022）也报告了纳米银、纳米铜、纳米氧化钙以及商业杀菌剂Rizolex-T 50 WP在控制普通菜豆中由 *S. rolfsii* 引起的根腐和冠腐病方面效果不佳。

除了抗药性之外，环境和"同一健康"（One-Health）问题也日益制约以杀菌剂为核心的病害控制。DMI残留物的持久性、协同混合物对传粉者的风险以及农业用三唑类药物与抗唑类烟曲霉（*Aspergillus fumigatus*）之间的文献关联，都凸显了化学依赖的生态和公共健康代价（Snelders等，2009；Berger等，2017；Verweij等，2020）。这些局限凸显了对非传统的、以寄主为中心的策略的需求，这些策略既能减少化学负荷又能实现持久的病害抑制。

这推动了向利用植物内源免疫性的寄主导向、抗药性稳健方法转变。基于诱导子的策略特别具有吸引力，因为它们对病原菌施加的选择压力最小，同时赋予广谱和持久的保护。模式识别受体对保守微生物和病原相关分子模式（MAMPs/PAMPs）的识别启动了模式触发免疫（PTI），随后通过系统获得性抗性（SAR）和诱导性系统抗性（ISR）得到加强，从而实现协调的局部和系统性防御反应（Chavanke等，2022；Meena等，2022；Fisher等，2024；Chavanke和Dalvi，2025, Chavanke和Dalvi，2026）。在天然诱导子中，壳聚糖和β-葡聚糖因其明确的免疫激活作用而最为突出。壳聚糖调节水杨酸、茉莉酸和乙烯信号，增强细胞壁结构，调节氧化还原稳态，并诱导病程相关（PR）蛋白和苯丙烷代谢，其活性取决于结构特性（Li等，2020；Román-Doval等，2023）。同时，来源于真菌和酵母的β-1,3/β-1,6-葡聚糖作为强效MAMP，可刺激氧化爆发、PR蛋白积累和广谱抗性（Chavanke等，2022；He等，2026）。虽然木霉属（*Trichoderma* spp.）等生物制剂也能触发ISR，但其效果往往因环境敏感性和菌株特异性相互作用而存在差异（Petrisor等，2016；Zehra等，2017；Kubiak等，2023）。

纳米技术提供了一个令人信服的框架来克服诱导子递送的关键局限，通过优化粒径、表面电荷和组成来提高叶片留存率、角质层穿透性和控释效果，从而在较低剂量下提高效果并减少非目标效应（Miteu等，2023；Djanaguiraman等，2024；Pagano等，2025）。在此范式下，壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料代表了一种增强的生物响应类别的生物启发诱导子，将互补的分子信号整合为单一的多价架构。此类系统在概念上具有增强受体结合、放大下游信号并更有效地维持预激状态的能力，优于单组分纳米粒子（NPs）。然而，在统一实验框架下对纳米粒子、纳米复合材料和生物制剂的系统体内比较仍然有限，特别是在甜菜中（Chavanke和Dalvi，2025）。

本研究在一个受控温室系统中评估了九种叶面施用策略，包括壳聚糖纳米粒子、酵母和 *S. rolfsii* 来源的β-葡聚糖纳米粒子、其相应新型壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料的两种浓度以及木霉处理，并以水处理作为对照。防御反应通过PR水解酶（β-葡聚糖酶、几丁质酶）、苯丙烷信号通路（苯丙氨酸解氨酶）、抗氧化酶（SOD、POD、PPO）和酚类积累进行量化，生理表现通过播种后30天和90天（DAS）的光合色素和碳水化合物动态进行评价，并结合收获时的发病率数据。

我们提出如下假设：纳米工程的M/PAMP基壳聚糖-β-葡聚糖复合物作为多价诱导子平台，不仅能够增强免疫感知，还能整合防御信号与核心代谢过程。具体而言，我们提出这些纳米复合材料的理化性质增强了配体呈现，促进了PTI的强力激活。这种增强的信号预期将持续诱导PR蛋白，推动苯丙烷介导的结构防御并维持一种紧密调控的氧化还原环境，支持信号传导而不造成氧化损伤。关键的是，我们进一步假设这种免疫激活与光合稳定性和碳经济内在耦合，使得在病原压力下叶绿体完整性、光利用效率和源-库关系得以保持或增强。这种整合有效消解了防御与生长之间的传统二元对立，实现了病害抑制与生产力提升的同步。在此框架下，病原菌和酵母来源的β-葡聚糖被概念化为"病原转保护"策略的功能驱动因素，即将毒性相关分子重新利用以增强寄主韧性。

通过在同一实验系统中整合生化学、生理学和病害水平反应，本研究致力于建立纳米生物刺激子赋能诱导的统一机制框架。由此，将壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料定位为环境高效且抗药性稳健的常规杀菌剂替代品，与可持续作物生产和生物循环经济原则相一致。

# 章节摘要

**纳米材料**

特征明确的 *S. rolfsii* β-葡聚糖纳米粒子（S-BG NPs；DLS：60.16 nm；TEM：91.05 nm）、酵母β-葡聚糖纳米粒子（Y-BG NPs；DLS：73.66 nm；TEM：23.38 nm）和壳聚糖纳米粒子（CN NPs；DLS：64.43 nm；TEM：61 nm），以及新型壳聚糖-*S. rolfsii* β-葡聚糖纳米复合材料（C-SB NC；DLS：98.66 nm；TEM：107.12 nm）和壳聚糖-酵母β-葡聚糖纳米复合材料（C-YB NC；DLS：96.81 nm；TEM：15.78 nm），用于评估其对温室条件下甜菜防御、生理和产量的影响。

**生化分析**

纳米材料在30 DAS和90 DAS的叶面施用显著增强了防御相关酶活性和酚类积累，在30 DAS出现早期峰值，随后在90 DAS持续或进一步放大（图1；附表S2）。这一模式具有诱导子介导预激的特征，表现为PR蛋白（β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶）的激活、ROS清除系统的强化以及苯丙烷相关防御酶的上调，包括SOD、PAL……

**讨论**

开发既能减少杀菌剂依赖、又能改善资源利用效率并在气候变化条件下维持生产力的作物保护策略，是现代农业面临的主要挑战。我们的结果表明，纳米工程的壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料通过协调防御-氧化还原-光合网络来解决这一挑战，这对于生物胁迫和非生物胁迫的缓解是必需的。与单独纳米粒子和绿色木霉（*T. viride*）相比，纳米复合材料……

**结论**

本研究证明了废弃物来源的新型壳聚糖-β-葡聚糖纳米复合材料构成了一种有效且环境可持续的作物保护平台，它通过同时增强植物内源免疫、保持光合性能和优化碳水化合物代谢，而不损害生长。在所评估的制剂中，壳聚糖-*S. rolfsii* β-葡聚糖纳米复合材料（C-SB，50 ppm）在温室条件下始终实现了更高的病害抑制效果（88%）。

# CRediT作者贡献声明

Somnath N. Chavanke：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理。Sunil G. Dalvi：撰写——审校与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。Kiran Bhagat：可视化，方法论。

# 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报道的工作。

# 致谢

作者衷心感谢Wasantdada Sugar Institute（位于Manjari (Bk)，Pune）总干事在整个研究期间给予的持续支持和鼓励。作者还感谢农业科学与技术在试验进行期间提供的宝贵帮助和建议的工作人员。

Somnath N. Chavanke | Sunil G. Dalvi | Kiran Bhagat