工程納米材料抵抗作物病害的研究進展

孫 敏,郝 毅,許鑫鑫,商和平,馬傳鑫

(廣東工業大學生態環境與資源學院/ 大灣區城市環境安全與綠色發展教育部重點實驗室,廣東 廣州 510006)

2050年世界人口預計將達100億,人口激增對糧食產量提出了更高的要求。但農業生產中面臨著病蟲害、洪澇災害等各種挑戰,病蟲害的發生使得農作物產量降低、品質受損,也造成了一定的經濟損失。合理施用化肥和農藥能夠保證作物產量并在一段時間內解決糧食增長問題,但是傳統肥料利用率低以及農藥濫用帶來的抗藥性等問題反而加劇了當前糧食危機的困境[1]。

納米技術不僅廣泛應用于化工、醫藥、電子等行業,在農業領域也展現出巨大的應用潛力,包括植物營養狀態管理、植物病害管理、污染土壤修復等[2]。目前,大量研究主要集中于工程納米材料(engineering nanomaterials, ENMs)與植物之間的交互作用,評估ENMs對植物的毒性效應。研究表明,相較于非納米制劑,適宜劑量的ENMs可以更高效地提高植物光合效率、緩解植物遭受的生物或非生物脅迫。近年來,ENMs在抵抗作物病害和增加作物產量方面表現出了巨大優勢。例如,SATTI等[3]報道,40 mg·L-1的二氧化鈦納米顆粒(TiO2NPs)有效緩解了小麥斑點病病情嚴重程度。此外,ELMER等[4]發現,與大尺寸顆粒(bulk-sized particles)或硫酸鹽相比,氧化銅納米顆粒(CuO NPs)、氧化錳納米顆粒(MnO NPs)和氧化鋅納米顆粒(ZnO NPs)對番茄和茄子黃萎病和枯萎病的抑制效果更好,同時CuO NPs處理顯著增加了果實產量。

納米顆粒具有尺寸小、比表面積大、反應活性高等獨有的理化特性,能夠提高生物利用率,進而高效改善植物營養狀況,抑制植物病害,促進植物生長,從而提高作物產量[5]。在農業應用中,基于納米技術研發的納米農藥、納米肥料等納米級農化品具有緩釋的特點,是實現精準農業和可持續發展農業的重要手段,如新型納米農藥具有高輸送效率、低劑量、不易使植物產生抗性、低毒性、存儲和使用過程中的穩定性、葉面高附著性、高溶解性、生物可降解性、環境友好性等特性[2,6],彌補了傳統農藥的不足之處。

深入探究納米材料在植物病害防治方面的詳細機制是未來利用納米材料更好地服務農業、發展環境友好型農業的基礎。明確納米材料對作物病害的作用機理,也有利于納米材料合成者更有針對性地設計出高效納米農藥制劑。雖然目前國內也開展了大量利用納米材料防治作物病害的植物實驗,但是鮮有系統性總結納米材料抵抗作物病害機制的綜述。前人關于總結納米材料抗病機制的研究多局限于納米材料對致病菌的直接抑制作用,或者片面總結納米材料通過調節植物抗氧化酶活性的方式來幫助植物抵御病害。而該研究在綜合分析現有利用ENMs改善作物病害研究的基礎上,從以下3個方面深入系統地闡釋和討論了ENMs抵抗作物病害的機理:(1)ENMs通過直接釋放金屬離子或在顆粒表面產生活性氧(reactive oxygen species,ROS)的方式對病原菌造成物理結構損傷,以實現直接抵御作物病害的目的;(2)在植物染病前施加ENMs,誘導植物產生抗病性;(3)ENMs通過激活和調控植物自身防御系統來幫助植物抵御病害(植物抗氧化防御系統調控、營養元素調控、植物激素調控、光合機制調控)。因此,系統性地歸納總結納米材料的抗病機理對于現代農業中的植物病害管理具有十分重要的理論及現實應用意義。

1 ENMs的直接抗菌作用

目前主要將ENMs的直接抗菌機制分為2類:(1)金屬納米顆粒(metal-based nanoparticles,MNPs)及其溶解釋放出的金屬離子對病原微生物的直接抑制作用;(2)ENMs表面通過產生ROS抑制致病微生物生長。ENMs對病菌的直接作用效果主要是干擾胞內脫氧核糖核酸(DNA)復制和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)合成等正常生理代謝活動,對致病微生物造成物理結構損傷,導致細胞膜變形、細胞質凝結和細胞空泡化、胞內物質泄漏等后果(圖1)。

圖1 ENMs對植物致病菌的直接作用效果

其中MNPs釋放出的金屬離子可通過靜電作用吸附在病菌細胞膜上,再通過內吞作用等方式進入細胞,與病菌細胞膜上含巰基、氨基、羥基、羧基或磷酸基的酶或蛋白質發生相互作用,使重要膜蛋白的活性和功能受損,細胞膜結構變形,細胞中酶失活[7-8];細胞膜結構受損后胞內物質泄漏,進一步造成細胞死亡[8-9]。ENMs還可以通過在顆粒表面釋放ROS作用于病原體細胞,對病菌造成氧化應激。ROS進入細胞后使蛋白質變性、抑制DNA復制,導致脂質過氧化等不可逆損傷;ROS還可與ATP合成相關酶作用,干擾ATP合成過程[9-10]。例如,ZnO NPs具有很高的光催化活性,在紫外光下會產生ROS(如H2O2),破壞微生物細胞壁,對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有良好的的殺菌效果;TiO2NPs也可以經光催化產生羥基自由基(·OH)和超氧陰離子(O2-·),穿透病菌細胞壁與細胞膜中的脂質發生過氧化反應,從而達到抑制病菌生長的目的[11-13]。

工程納米材料(ENMs),尤其是金屬基納米材料,通過釋放金屬離子(M+)或產生活性氧(ROS)的方式直接作用于植物病原微生物,金屬離子和活性氧進入病原微生物后常造成胞內物質泄漏、抑制DNA復制、干擾腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)合成和蛋白質變性等后果,從而抑制病原菌生長和繁殖[8-10]。

此外,銀基和銅基納米材料是目前研究較多的金屬基納米抗菌材料。銀基納米材料擁有良好的抗菌活性,其制成的多種納米制劑在植物病害管理中發揮了重要作用。銀基納米材料可以通過釋放Ag+使病菌細胞膜滲透性增加,誘導胞內磷酸鹽流出及細胞內容物泄漏,干擾ATP生成和DNA復制等過程。MARAMBIO-JONES等[14]指出,銀納米顆粒(Ag NPs)及其釋放的Ag+可直接接觸菌體,產生大量ROS。PARK等[15]闡明,Ag+通過與呼吸鏈酶中的巰基相互作用,損害還原型輔酶I(NADH)等必需酶,產生超氧自由基。CARLSON等[16]則指出,銀納米顆?？膳c真核細胞中的谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)或其他谷胱甘肽維持酶直接結合,而GR是清除ROS的有效酶,可使真核細胞的抗氧化防御機制受到抑制。構建銀ENMs復合體來提高材料抗菌活性也是目前研究的重要方向。例如OCSOY等[17]設計出一種用Ag NPs和氧化石墨烯(graphene oxide,GO)載體合成的Ag@dsDNA@GO復合物,16 mg·L-1Ag@dsDNA@GO對穿孔黃單胞菌(Xanthomonasperforans)的致死率為100%。

銅基納米材料也是一種使用廣泛且效果顯著的抗菌試劑,與常規銅抗菌試劑相比,其優勢在于能緩慢釋放Cu2+,因而有更持久的抗菌效果[10]。WU等[18]和KELLER等[19]均指出,銅基納米顆粒的一個重要毒性機制在于其通過擴散內化或內吞作用進入細胞,在納米顆粒表面或胞內溶解的Cu2+附近產生ROS,對病菌造成氧化損傷,此外還有膜損傷、電子傳遞活性降低等毒性機制。KAWEETEERAWAT等[20]也證實50 mg·L-1Cu NPs對大腸桿菌和短乳桿菌造成了氧化應激,導致質粒DNA完全降解。CHEN等[21]研究發現,經250 mg·L-1CuO NPs處理2 h能使青枯菌(Ralstoniasolanacearum)完全失活,并且CuO NPs嚴重干擾了青枯菌的生理代謝,具體表現為降低了ATP生成水平以及病菌在液體培養基中的運動性,顯著抑制了生物膜的形成;基因表達結果亦表明,CuO NPs處理使得青枯菌體內與運動性、生物膜形成和致病相關的基因表達水平下調。

2 ENMs在植物染病前施加——誘導抗病機制

ENMs可以在植物染病之前施加起預防作用,也可以在染病之后施加起緩解病癥的作用。后者緩解病癥主要是依靠ENMs清除病害入侵造成的過量ROS,而前者大多能發揮誘導植物抗性的作用,大致可以分為2類:一種是能對植物形成生物刺激的較低的施加劑量,這種劑量恰能增強植物營養、促進植物生長,提高作物抗性,進而增強植物抵抗病害脅迫的能力。而另一種是能對植物造成非生物脅迫的劑量,該劑量下的ENMs進入植物體內后觸發了防御系統,使得植物體內抗氧化物質上調,當致病菌再侵染時植物能快速對致病微生物產生的生物脅迫做出反應。DIVYA等[22]在對水稻接種立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)前先用殼聚糖納米顆粒(chitosan nanoparticles,ChNPs)對葉片進行預處理,結果發現在離體葉片實驗和植物抗病實驗中ChNPs對病害的抑制率分別達到90%和75%,充分表明ChNPs是水稻對紋枯病系統抗性的有效激發因子,提高了水稻植株對病原微生物的抗性。

ENMs還可以通過誘導植物產生系統獲得性抗性(systematic acquired resistance,SAR)來抵御致病菌侵染。SAR指植物局部組織在遭遇病原體侵染時,在被侵染組織處會形成抗性;同時這種經誘導形成的抗性能傳遞到植物未被侵染部位和遠端組織,從而使得整株植物都擁有抗性[23]。在SAR信號傳導過程中,要依靠水楊酸(salicylic acid,SA)、NO和ROS等信號分子將抗病信號從受侵染部位長距離傳送至植株全身,同時也激活了病程相關基因(pathogen-related gene,PR),PR的表達水平隨之增加,進而增強植物對病原菌的抵抗能力[23-26]。SAR具有廣譜性、持久性和系統性[27],植物形成SAR后,能對植物起到長時間的保護作用。

值得注意的是,SAR除了可以由病原菌誘導攻擊植物而獲得,還也可以由“抗性誘導化合物”處理之后獲得?？剐哉T導化合物一般應滿足如下條件[28]:(1)不表現出直接的抗菌活性;(2)對病原菌具有廣譜抗性;(3)能誘導SAR標記基因的表達。硅、磷酸鹽、核酸、聚丙烯酸等被認為是極具潛力的抗性誘導化合物,尤其是硅(Si)[29]。EL-SHETEHY等[30]發現,二氧化硅納米顆粒(silicon dioxide nanoparticles,SiO2NPs)能誘導擬南芥產生SAR,增強擬南芥的抗病性。在體外實驗中,SiO2NPs并未抑制培養基中有毒丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)的生長,但是植物實驗中對葉片預先進行SiO2NPs處理再接種病菌,3 d后葉片上菌落計數結果表明,有毒丁香假單胞菌的生長量降低數倍,病情得到有效抑制。CAO等[31]也指出,硫納米顆粒(SNPs)激活了番茄SAR途徑,上調了PR和抗氧化酶相關基因的表達(11%～352%),同時也增加了疾病相關生物分子的活性和含量(5%～49%)。

3 ENMs在植物染病后施加——增強植物防御系統能力

目前發現能充當抗性誘導化合物的ENMs種類有限,因此更多的還是研究植物患病后再施加ENMs以達到抑制作物病害的目的。病原菌感染會引起植物體內一系列生理和生化改變,如氧化損傷爆發、細胞死亡、植物防御素(phytoalexin)和抗病蛋白的合成、木質素和胼胝質的沉積[28,32],這些改變屬于植物應對生物脅迫做出的防御反應。ENMs除了能直接抑制病原體活性,還能通過改善植株體內營養狀況、調節植物防御激素水平和抗氧化酶活性等方式增強植物的抵抗機制,緩解病源菌侵染造成的氧化損傷,即ENMs通過強化植物自身防御系統來間接抵御病害侵染[10, 33]。

辛娜濕濡地親吻著王樹林，激烈而迫切。這突如其來的主動讓王樹林始料不及，心理上不免生出抵觸的情緒。上周前，辛娜的關于親情是兄妹的話語刺傷了王樹林，為此他們冷戰了十天，辛娜是高傲的，十天里，她幾乎沒有和王樹林說過一句話，沒有正眼瞧過王樹林一次，即使有交流也是短信，比如：你下班把衣服收一下，要下雨了，諸如此類。傲氣凌人強人風范。

病原體入侵對植物造成的最大傷害是氧化損傷,即植物體內產生過量ROS。植物在呼吸和光合等正常有氧代謝過程中會不斷地在線粒體和葉綠體等部位產生ROS,低水平的ROS作為信號分子在植物的生長、發育和防御過程中發揮了積極作用,但由病原菌侵染引起的植物細胞內高水平的ROS則會對植物造成氧化損傷[34-35]。氧化損傷的主要表現是脂質過氧化、蛋白質和DNA損傷,而MDA是植物細胞膜發生膜脂過氧化的重要指標物質之一,常被用來表示細胞膜脂過氧化程度和植物抗逆境反應的強弱。

植物自身體內含有一系列活性氧清除機制,主要是通過包含酚類化合物、類胡蘿卜素、植物激素等次生代謝物和還原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)、抗壞血酸(ascorbate)的非酶途徑以及包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)、GR、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)等抗氧化酶途徑來清除ROS[34-38]。研究發現,用ENMs處理植物可以刺激次生代謝物的產生,提高抗氧化酶的活性,在一定程度上減輕由病原菌侵染而造成的氧化傷害,起到抑制植物病害的作用[10]。下文主要討論ENMs通過營養調控、增強植物抗氧化防御系統等方式來幫助植物緩解因病原入侵造成的氧化損傷。

3.1 抗氧化酶與非酶物質的聯合作用

在清除ROS的過程中抗氧化酶并非單獨起作用,而是幾種酶在體內協同合作共同清除ROS。SOD是ROS清除系統的第一道防線,能將O2-·歧化為O2和H2O2,降低活性氧自由基對細胞的傷害,隨后H2O2又被CAT清除;APX、GPX、過氧化物酶(peroxidase, POD)等在清除H2O2中也發揮了重要作用,減輕植物所受的氧化脅迫[34-35]。

GSH、抗壞血酸和酚類化合物是植物自身清除ROS的非酶機制中的重要組成部分[36],其中酚類化合物是植物體內重要的次生代謝物,參與了生物脅迫誘導的植物防御機制,能夠有效清除自由基[39]。莽草酸途徑(shikimic acid pathway)是酚類化合物的主要合成途徑之一,該途徑將碳水化合物前體分子轉化成苯丙氨酸,苯丙氨酸繼而衍生出木質素、花青素等重要酚類物質[40];苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase,PAL)、花青素合成酶(anthocyanidin synthase,ANS)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)和POD在此過程中的催化作用至關重要[40]。其中花青素是自然界中最常見的類黃酮物質,能釋放出H+猝滅氧自由基,抑制脂質過氧化[41];木質素是一種酚類雜聚物,存在于植物細胞壁中,有支撐和強化植物組織的作用,可通過物理阻斷或增加葉片韌性的形式限制病原體的進入。當植物遭遇病原體攻擊時木質素能快速沉積以抵抗病原體,阻止病原菌的進一步繁殖和侵染[42-43]。因此,抗氧化酶除了直接作用于活性氧自由基以外,在協助非酶物質清除活性氧中更是發揮了不可或缺的催化作用。研究結果亦表明,對染病植株施加NMs后可在一定程度上調節植株體內的抗氧化酶活性,提高次級代謝物生成水平,清除過量的ROS。QUITERIO-GUTIéRREZ等[44]通過葉面施用不同組合濃度的Se NPs和Cu NPs緩解了由茄鏈格孢菌(Alternariasolani)侵染導致的番茄早疫病病情。與染病對照相比,20 mg·L-1Se NPs + Cu NPs處理使得染病植株葉片中APX、GPX、PAL等抗氧化酶活性顯著提高了127.8%～434.6%,同時果實中GSH、類黃酮類和酚類等非酶類抗氧化物質的含量也顯著增加了22.2%～27.1%。

植物體內高水平的防御酶對于清除ROS、保護植物免受致病微生物產生的氧化應激具有重要意義。YOUSSEF等[45]發現,殼聚糖/二氧化硅納米復合材料(chitosan/silica nanocomposites, CSNs)可以提高葡萄的抗氧化酶系統,緩解由灰葡萄孢菌(Botrytiscinerea)引起的葡萄灰霉病;施加10 mg·L-1CSNs能完全抑制灰霉病的發生,并且48 h后染病葡萄組織中SOD、APX、POD活性、總酚和類黃酮含量較染病對照顯著增加了1.2～1.6倍。此外,SHEN等[46]在研究銅基ENMs提高番茄對尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)的抗性時發現,葉面噴施CuO NPs和銅納米片減少了番茄植株40%～56%的疾病,同時與染病對照相比,CuO NPs處理使得PAL和POD活性顯著增加了66.5%和37.7%,而銅納米片處理也使得番茄植株中PAL和POD活性顯著增加了93.6%和49.1%,2種銅基納米材料均能通過提高抗氧化酶活性來提高患病植株對尖孢鐮刀菌的抵抗能力。在基因水平上,關于ENMs調控染病作物抗氧化酶相關的基因,進而提高植物的抗病能力亦有報道,如MA等[47]通過研究不同類型銅基納米材料改善大豆猝死綜合癥時發現,經鐮刀菌(Fusariumvirguliforme)侵染的大豆根部在銅基納米材料作用下PPO、POD、PAL相關基因表達均顯著上調(2～7倍),表明葉面施加ENMs對真菌病害有積極的緩解作用。相似的結果亦在鐮刀菌(Fusariumoxysporum)侵染番茄實驗中有報道[48]。

綜上, ENMs抑制作物病害的一個重要機理在于ENMs作為外源物作用于染病植株,通過上調防御酶相關基因的表達,增加SOD、CAT、APX、GPX和PAL等重要抗氧化酶的活性,進而促進花青素等重要酚類物質、抗壞血酸、GSH等合成,實現活性氧自由基更高效的清除效果。

3.2 營養調控

植物進行次生代謝以抵抗逆境,但被致病微生物侵染后,次生代謝物的產生會受到抑制。微量營養元素可以作為輔助因子激活合成次生代謝物過程中所需的酶[33,49]。當組織中微量營養元素含量充足,植物便能充分抵御病原體的入侵。與微量營養元素相關的納米顆粒通過釋放出相應元素的離子,既能為植物提供生長所必需的Fe、Mn、Zn、Cu等微量元素,促進植物生長,增強植物自身營養[2],也能協助激活植物防御系統,提高植株抗病能力。

植物感染病菌后體內營養元素含量失衡[50],而ENMs的施加可以緩解元素失衡的現象,同時通過增強植物營養狀況的方式來抑制病原菌侵染。例如,SHANG等[51]發現CuS NPs通過調節植物營養以抑制水稻赤霉菌(Gibberellafujikuroi)感染,赤霉菌侵染減少了水稻體內大量營養元素含量,但經種子或葉面噴施銅基納米材料后不同程度地增加了P(10.7%～74.8%)、Mg(61.1%～154%)和S(>42.9%)等營養元素的含量,且植株發病率減少了35.1%～45.9%。MA等[47]同樣證實了銅基納米材料可以通過調節植物營養狀態來減輕由鐮刀菌(Fusariumvirguliforme)引起的大豆猝死綜合癥。

3.3 植物激素

植物激素也是植物防御系統的重要組成部分,廣泛參與了植物抗病過程[53]。SA和茉莉酸(jasmonic, JA)是主要的植物防御激素,乙烯(ethylene, ET)、脫落酸(abscisic acid, ABA)、吲哚乙酸(indoleacetic acid, IAA)、赤霉素(gibberellin, GA)、細胞分裂素(cytokinin, CK)和油菜素內酯(brassinolide, BR)等也能夠作為植物免疫系統中的調節因子發揮作用,幫助植物應對多種逆境脅迫[53-54]。一般認為,SA參與激活植物對抗活體和半活體營養型病原菌的防御反應,SA也能作為信號分子參與植物SAR,誘導多種PR基因的表達,幫助植物抵御病原菌的入侵[55-56]。JA則參與對抗死體營養型病原菌,在遭遇病原體攻擊時能快速合成,JA參與了植物的諸多生命活動(種子萌發、根生長、果實成熟等過程),同時也與植物抗逆性密切相關[54]。目前,利用ENMs防治作物病害的研究中發現,ENMs可以調控染病植物體內防御激素的基因表達和含量水平,從調控植物激素網絡的角度參與植物抗病[47,51,57]。

銅基ENMs葉面施加于感染了尖孢鐮刀菌的大豆幼苗后,與大豆生長相關的植物激素基因的表達發生顯著改變,并且ENMs顯著抑制了植株發病情況,植株活力明顯提高[47]。此外,CuS NPs能通過調節水稻體內植物激素含量來抑制水稻赤霉菌的侵染[51]:染病后的種子經50 mg·L-1CuO NPs、CuS NPs處理后,發病率顯著降低8.1%～45.9%,染病后的水稻地上部JA含量降低了50%,而染病種子經CuS(1∶4)NPs處理后幼苗體內JA含量顯著增加,恢復至健康對照水平。由各激素水平變化推測致病微生物的侵染抑制了JA合成,而銅基ENMs處理觸發了水稻體內天然防御系統,提高了染病水稻中JA水平。類似地,HAO等[58]也發現,ENMs通過上調玫瑰花內源激素的含量以提高玫瑰對白粉病菌(Podosphaerapannosa)侵染的抗性,其中與染病對照相比,植株地上部的玉米素核苷(zeatin riboside, ZR)含量經200 mg·L-1CuO NPs、TiO2NPs、多壁碳納米管(multiwalled carbon nanotube, MWCNTs)、還原性氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)處理顯著增加了85%～113%;此外,200 mg·L-1TiO2NPs和CuO NPs處理也分別顯著增加了二氫玉米素核苷(dihydrozeatin riboside,DHZR)、異戊烯基腺苷(isopentenyl adenosine,IPA)含量達43%和53%。類似地,ADEEL等[59]利用碳基納米材料抑制煙草花葉病毒的實驗也發現,200 mg·L-1碳納米管(CNTs)和富勒烯(C60)能夠使染病煙草體內的ABA和SA含量增加33%～52%,同時與SA和ABA合成相關基因上調了94%～104%。綜上,ENMs可以通過調控染病植株體內的激素網絡來提高作物對病害的抵抗能力。

3.4 光合響應機制

光合作用是植物重要的生理代謝過程之一,光合作用產物為植株生長發育提供了充足營養。致病微生物侵染會降低光合作用效率,進一步導致植物生長停滯、生物量下降。前期研究結果表明,施用適宜劑量的ENMs能在一定程度上提高染病植株的光合能力[46,60-61]。

光合作用的光反應階段在葉綠體的類囊體膜上進行,包括原初反應、光合電子傳遞和光合磷酸化,其中類囊體膜上的光合電子傳遞體由光系統Ⅰ(photosystem Ⅰ, PS Ⅰ)、光系統Ⅱ (photosystem Ⅱ, PS Ⅱ)和細胞色素復合體等單位組成[62]。光反應可以為暗反應階段提供ATP和還原型輔酶Ⅱ(NADPH),而暗反應(碳同化過程)是在葉綠體基質中進行的典型酶促反應。其中碳同化是將游離CO2通過羧化反應固定在有機物上的過程,然后在1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)或者磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)等關鍵酶的催化作用下經C3或C4途徑生成葡萄糖、淀粉等最終光合產物[63]。

ENMs能正面作用于植物光反應階段,促進水的光解放氧過程,增強光捕獲、吸收和轉換能力,加速光合電子傳遞過程,提高光合磷酸化效率[64-67];同時ENMs也能增強暗反應過程中Rubisco和PEPC等限速酶的活性,提高碳水化合物產量[68-69](圖2)。ENMs在植物光反應階段可以提高光捕獲(light harvesting)和光轉換能力(light conversion),加速光合電子傳遞效率(electron transfer rate),有利于類囊體膜(thylakoid membrane)上的光裂解水放出氧氣和電子的反應過程[64-67];同時,ENMs可以改善植物暗反應中Rubiso和PEPC關鍵酶的活性,最終提高光合產物產量[68-69]。

圖2 ENMs改善植物光合性能的示意

在研究ENMs如何介導植物光反應階段時,LU等[70]發現水稻對石墨烯的吸收有利于促進葉綠體的光合磷酸化:石墨烯良好的導電性能提高類囊體膜上PS Ⅱ的電子傳遞效率;同時石墨烯能猝滅光合作用副產物ROS,保護PS Ⅱ的光合活性;此外石墨烯的存在也提高了ATP合成酶的效率,進而增加了ATP產量。TIWARI等[71]亦發現,0.5～2.0 g·L-1的TiO2NPs能顯著上調PS Ⅰ基因的表達,提高番茄植株的量子產額、總葉綠素含量等光合參數,使植株生物量增加約50%。ZE等[66]則指出,TiO2NPs促進植物光合作用的機制在于誘導擬南芥類囊體膜上捕光復合體Ⅱ(light harvesting complex Ⅱ, LHC Ⅱ)基因的表達,使得LHC Ⅱ含量顯著增加,進而促進葉綠體對光的吸收;同時還能促進光能向電能的轉化,促進水的光解和放氧過程。

Rubisco催化過程是碳同化過程中的限速步驟,但是實際條件下Rubisco的催化效率并不高,因此提高Rubisco活性或含量是研究如何改善光合作用活性、提高植物生產力和資源利用效率的主要目標[72]。ENMs的介導可以改善Rubisco催化效率,進而提高植物光合效率,使得干物質積累量增加。如GAO等[68]曾報道nano-TiO2可以提高菠菜中Rubisco活性,提高光合碳反應的速率,從而促進菠菜生長。LI等[69,73]指出碳點(carbon dots, CDs)也具有提高植物光合作用效率的潛力,其中0.56 mg·mL-1CDs顯著提高擬南芥體內Rubisco活性達42%,并且Rubisco活性的增加使得碳水化合物含量顯著提高了17.9%。LI等[67]在水稻實驗中也發現CDs能作為植物光合作用的光轉換器,增強光吸收能力和量子產率;300 mg·L-1CDs均勻噴施于水稻幼苗葉片后,使PS Ⅱ的電子傳遞速率和光合效率分別提高了29.81%和29.88%,葉綠素含量和Rubisc O羧化酶活性分別顯著提高了64.53%和23.39%,水稻地上部和根干重增加64.31%和61.79%。

適宜劑量ENMs可以有效改善患病植株的光合性能,提高碳水化合物等光合產物水平以及植株健康程度,最終增強植株抵抗病害的能力。如番茄被尖孢鐮刀菌(Fusariumvirguliforme)侵染后,葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量減少了29.3%～48.4%,但染病植株經銅基納米材料處理后,葉綠素含量恢復到與健康對照相當的水平,病害也得到有效控制[46]。大豆經鐮刀菌侵染后生長受抑制,凈光合速率(Pn)下降43%,但葉面噴施銅基納米材料后Pn恢復到健康對照組的水平,同時染病植株地上部和根部生物量分別增加了60.3%和34.3%[47]。在利用生物合成的Ag NPs防治番茄早疫病的研究中也報道了類似的結果[60]。GORCZYCA等[61]研究發現,Ag NPs處理減少了小麥苗枯病的發生,同時增加了受鐮刀菌侵染小麥PS Ⅱ的最大量子產量(Fv/Fm)。

綜上,ENMs在改善植株光合性能方面展現出來的潛力也為利用ENMs防治作物病害指明了方向:即通過對作物外源施加ENMs可以提高患病植株光捕獲、吸收和轉化能力,以及改善光合作用碳反應階段關鍵限速酶的活性,從而增加植株光合產物水平,間接幫助植物抵御病害。

3.5 ENMs抗病效果的影響因素

在實際應用中,影響ENMs作用效果的因素很多,如 ENMs本身的理化特性,包括組成、粒徑大小、電荷、形態、表面功能化修飾、離子溶出度、團聚程度、反應活性等;其次,植物不同生長階段、培養基質(水培、土培)、ENMs暴露方式和時間等均會影響ENMs的最終作用效果[74]。就粒徑而言,較小的納米粒子更容易穿透細胞壁進入細胞發揮直接抗菌作用[7];再者,納米材料通過葉噴或根施等方式用于防治植物病害時,粒徑更小的納米材料也更容易進入植物葉片或根部,輸送活性成分至植物全身,如植物在植物葉面主要通過角質層和氣孔2個途徑進入植物葉片。目前尚不清楚氣孔途徑對穿透納米材料的尺寸限制[1,75],但是當極性溶質通過親水途徑由角質層進入葉片內部組織時存在0.6～4.8 nm的尺寸限制[75-77]。葉片表面絕大部分被角質層覆蓋,所以較小尺寸的納米材料更容易進入植物組織,進一步發揮作用[78]。同時ENMs的表面形態(表面形狀、光滑程度)對其作用效果也有很大影響,如LI等[79]通過改變ENMs表面粗糙度增加了葉面氮肥在植物葉片上的附著,從而提高葉面氮肥的利用率。類似地,Cu3(PO4)2納米片層防治西瓜鐮刀菌病的有效劑量大約是不規則形狀的CuO NPs的一半[80]。造成這種效果差異的原因正是ENMs形態、組成和溶解性質的不同。此外,在利用不同形態的銅基納米材料防治大豆猝死綜合征和番茄根腐病研究中也報道了類似的結果[46- 47]。ENMs在實際應用中常常發生團聚,減少了材料的有效表面積,降低了ENMs在土壤中的流動性和在葉面的有效性;同時較大的團聚體在進入細胞壁或細胞膜時受阻,因而降低了植物對ENMs的生物利用度[81]。如Ag NPs與細菌接觸時容易結塊,OCSOY等[17]針對此現象合成了一種分散性能更好的Ag@dsDNA@GO復合物,其中16 mg·L-1Ag@dsDNA@GO(5 nm)即可在1 h內對穿孔黃單孢菌(Xanthomonasperforans)造成100%的死亡率。在利用ENMs治療植物病害時大多是在植物發病后才開始的,但是在發病前甚至在種子階段即進行ENMs處理也是預防植物疾病的一種方法。這種預處理主要是依靠對植物進行生物強化以增強作物營養進而提高作物抗病能力來實現的[82]。而且相比于土壤和葉面施用方式,種子處理時ENMs的利用率更高,成本更低,也減少了散失到環境中的活性成分含量和可能帶來的環境風險[83]。

因此,在實際利用ENMs防治作物病害時,選擇合適的納米材料和施用劑量是關鍵,既要保證能有效控制病害,也要兼顧如何將所用納米材料對環境可能造成的負面影響降至最低,在高效防治作物病害的同時減少環境污染。

4 結論與展望

納米技術在農業生產中發揮了重要作用,ENMs在植物病害和營養管理方面展現出的高效低劑量特性有助于實現提高作物產量和品質、減少農用化學品帶來的環境負荷、節約環境資源等多重目標。此外, ENMs在病害管理方面的主要機制可以歸因于破壞病菌結構和緩解植物受到的生物脅迫誘導的氧化應激。深入探究ENMs防治作物病害的作用機理也為未來利用納米材料進行植物病害管理的高效發展提供了一定的方向。未來在利用納米材料防治作物病害時也需要關注以下幾個方面:

(1)通過實驗篩選出促進農作物生長的常見ENMs的最大濃度閾值。從環境保護的角度出發,由于ENMs的廣泛應用,其不可避免地被排放到自然環境中,篩選出常用ENMs最大濃度閾值也有利于制定相應法律法規以限制ENMs的排放。此外,在促進生長濃度的基礎上有利于進一步探究適于病害防治的最佳ENMs濃度。

(2)優化提高ENMs抗菌性能的條件。如前所述存在諸多影響ENMs發揮抗菌作用的外界和內在因素,也可以在優化外在環境條件的基礎上通過表面功能化修飾等方式改善ENMs的自身特性,盡力發揮最佳抗菌效果。

(3)開發出更多種類的能用于治療作物病害的納米材料,不僅僅局限于金屬基、碳基納米材料,也著眼于復合型納米材料的設計和合成。

(4)在已知的ENMs的抗菌機理的基礎上深入探究ENMs幫助植物抵御病害的間接作用機理。如ENMs如何在分子水平上通過調節與抗病相關基因的表達或蛋白的合成來提高植物抗病性,以及ENMs如何通過調控植物激素網絡來幫助植物緩解病情,再者ENMs如何通過介導光合作用提高患病植株光合活性、增加植株光合產物水平來實現抵抗作物病害的目的。對納米材料介導植物病害防治的細化機理研究才是納米材料能在未來實際應用于植物病害管理領域的理論基礎。

(5)逐步推廣納米材料在實際農業病害管理中的應用,力求將將科研實驗成果轉化為實際農業生產成果。就目前的學術研究而言,納米植物實驗大多是在實驗室或溫室條件下進行的,但是田間試驗是檢驗在自然條件下納米材料是否具有高效防治作物病害功效的重要途徑。針對納米材料在復雜的田間自然環境下防治作物病害時可能暴露出的問題進行進一步的優化和完善,以設計出能投入實際農業生產的納米制劑和施用方案。