蒙脱石纳米粘土与小麦中多酚生物合成的增强以及条锈病严重程度的降低有关

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Montmorillonite nanoclay is associated with enhanced polyphenol biosynthesis and reduced stripe rust severity in wheat

　　尤尼斯·M·拉沙德（Younes M. Rashad）|哈尼·H·A·埃尔-沙尔卡维（Hany H.A. El-Sharkawy）|肖阿·A·阿尔罗拜什（Shouaa A. Alrobaish）|萨玛·H·阿尔贝哈贾尼（Samah H. Albehaijani）|希玛·I·巴希尔（Shimaa I. Bashir）|萨拉·A·阿卜杜拉（Sara A. Abdalla）|奥马尔·M·易卜拉欣（Omar M. Ibrahim）|纳赫拉·T·埃尔阿扎布（Nahla T. Elazab）

摘要
小麦条锈病由Puccinia striiformis f. sp. tritici引起，是小麦生产中的主要植物病理学障碍，导致严重的产量损失和巨大的经济损失。迫切需要可持续的替代化学杀菌剂的方法来减轻产量损失并减少环境影响。本研究表明，叶面施用蒙脱石纳米粘土（MNC）通过刺激多酚介导的防御途径增强了小麦对条锈病的抵抗力。MNC处理显著上调了参与酚类生物合成的关键基因，并促进了包括香豆素、焦性儿茶酚和Esculetin在内的防御相关化合物的积累。这些分子和生化变化与温室条件下病害严重程度显著降低（83.9%）相关。重要的是，蒙脱石是一种丰富、低成本的粘土矿物，具有很高的环境相容性，使其成为大规模农业应用的有希望的候选材料。通过增强植物的内在防御机制而不是直接针对病原体，MNC提供了一种可持续的策略，可以减少对合成杀菌剂的依赖，并支持综合病害管理计划。这些发现突显了基于纳米粘土的处理方法在田间条件下管理小麦条锈病的实际潜力。

引言
小麦（Triticum aestivum L.）是世界上最重要的主食作物之一，在全球种植面积排名前三[1]。然而，它极易受到引起重大经济损失的真菌病原体的影响，对全球粮食安全构成威胁，其中小麦锈病尤其具有破坏性。基于气候的预测表明，大约94%的全球小麦生产区域面临叶锈病的风险，2000年至2050年间每年的产量损失估计为860万至1830万吨[2]。条锈病（黄色锈病）由担子菌Puccinia striiformis f. sp. tritici引起，从幼苗期到成熟期都会感染小麦叶片，而叶片保持绿色。在有利的环境条件下，症状通常在感染后约一周内出现。病原体在受感染组织上形成乌雷迪尼亚（uredinia）——小型的黄色至橙色脓疱，每个脓疱会产生数千个可通过风传播的乌雷迪尼孢子，从而引发反复的二次感染循环。在幼苗中，这些脓疱倾向于聚集而不是形成条纹，但在成年植物中，它们会排列成叶片脉络之间的特征性黄色条纹。随着病害的发展，这些条纹会变宽、变暗，最终形成坏死病灶[3]。

化学杀菌剂被广泛用于控制多种真菌病害，但其过度使用对生态系统、人类和动物健康构成严重风险，并加速了抗杀菌剂病原体的发展。Belay等人[4]报告称，在三次施用250 EC浓度的丙环唑（Tilt）后，小麦（品种Ogolcho）的条锈病得到了61.3%的控制效果。Zhou等人[5]发现，两次施用三唑酮（20%环氧唑，150 g/ha和25%三唑酮，750 mL/ha）对易感品种MM367的小麦条锈病有效。纳米技术，特别是在农业中的纳米颗粒应用，越来越被认为是解决传统杀菌剂局限性（如病原体抗性、环境风险和监管限制）的紧迫且实用的方法[6]。纳米颗粒提供了增强的稳定性、靶向递送和生物活性化合物的控制释放，使其在作物保护方面高效且环境可持续。多项研究表明，纳米材料可以有效抑制病原体生长并降低病害严重程度。例如，将二氧化硅纳米颗粒施用于感染霜霉病（Plasmopara viticola）的葡萄藤上，可将病害严重程度降低多达81.5%[7]。同样，用硫纳米颗粒处理番茄植株可将枯萎病的发生率降低约47.6%，同时促进植物生长[8]。此外，氧化锌纳米颗粒已被证明可以抑制水稻的叶枯病（Xanthomonas oryzae）[9]，壳聚糖纳米颗粒可以减少黄瓜的白粉病（Podosphaera xanthii）[10]。这些研究提供了强有力的科学证据，表明纳米颗粒技术可以有效缓解多种作物的真菌和细菌病害，支持其在小麦条锈病防治中的潜在应用。

纳米颗粒的高效性源于其独特的物理化学性质，包括极高的表面积与体积比、纳米级尺寸（1-100 nm）和可调节的表面化学性质，这使得它们能够与病原体和植物组织相互作用。纳米颗粒的高表面积与体积比（通常为50-500 m2/g）增强了反应性和生物利用度，但极高的值可能会增加聚集或毒性。根据材料和应用的不同，1-100 nm大小的纳米颗粒通常表现出最佳效果[11]。虽然许多研究强调它们的直接抗菌活性，如破坏病原体细胞壁和抑制其发育，但越来越多的证据表明，纳米材料也可能作为植物防御反应的诱导剂，例如增强抗氧化酶活性（如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶），促进次生代谢物的合成，并上调防御相关基因[12,13]。例如，施用银纳米颗粒增加了小麦中的酚类化合物、黄酮类和抗坏血酸的积累[14]。同样，据报道二氧化硅纳米颗粒上调了JERF3、GLU、POD、PR1和CHI II等防御相关基因的表达，增强了葡萄藤对霜霉病的抵抗力[7]。基于矿物的纳米材料，如蒙脱石纳米粘土，由于其低毒性、成本效益和激发植物防御反应的潜力而特别有前景。这些特点突显了纳米技术的相关性和适用性，为研究蒙脱石作为增强小麦抗条锈病新策略提供了坚实的理由。然而，基于矿物的纳米材料调节关键代谢防御途径的具体机制仍不甚清楚。特别是天然丰富的纳米粘土（如蒙脱石）在病原体感染期间对多酚生物合成转录组重编程的作用尚未得到充分探索。与金属纳米颗粒不同，蒙脱石纳米粘土（MNC）具有环境相容性、低毒性和稳定性以及成本效益等优点，使其成为实用且可持续的选择。因此，研究其作为防御诱导剂的潜力对于开发增强小麦抗条锈病的新策略既紧迫又十分重要。

多酚是一类主要的植物次生代谢物，通过莽草酸途径从苯丙氨酸衍生而来。它们在植物生命周期中起着重要作用，参与生长调节、乙烯信号传导以及木质素和色素的形成。在生物胁迫下，多酚作为关键的防御化合物，可以直接与微生物细胞壁和膜相互作用，破坏其完整性和功能，并通过结合和失活关键酶来抑制微生物生长。它们还可以与微生物酶和细胞壁蛋白形成共价或非共价相互作用，导致酶失活和膜完整性破坏。此外，多酚在植物组织中积累，作为强效抗氧化剂，清除活性氧（ROS），保护细胞免受氧化损伤[15,16]。多酚具有多个羟基，可以向ROS捐赠电子或氢原子，从而中和自由基，防止细胞成分的氧化损伤。一些多酚化合物或其前体（如水杨酸）还作为信号分子，放大防御反应。它们激活导致病原相关（PR）蛋白、植保素和氧化酶表达的途径。作为次级防御机制的一部分，多酚中间体（如肉桂醇）被过氧化物酶和漆酶酶解生成酚氧基自由基，这些自由基通过自由基耦合在细胞壁中形成复杂聚合物，增强细胞壁的结构，并作为物理和化学屏障防止病原体入侵[17]。在我们之前的工作中[18]，MNC表现出对条锈病的强抗真菌活性。在小麦植株上叶面施用MNC增强了防御相关基因的表达，激活了抗氧化酶活性，并改善了整体植物生长。与许多主要通过直接病原体毒性起作用的金属纳米颗粒不同，MNC是一种天然丰富、低毒性的纳米粘土，具有高表面反应性和环境相容性。虽然大多数纳米颗粒研究关注一般的防御反应，但关于MNC如何调节特定代谢途径（特别是多酚生物合成）知之甚少，而多酚生物合成是植物抗性的关键组成部分。在这项研究中，我们检测了MNC对多酚生物合成基因转录表达的影响，构建了它们的共表达网络，并在有无MNC处理的感染小麦植株中进行了针对性的多酚分析。

**部分摘录**
**植物材料、处理和病原体接种**
2.2. 小麦种子（品种Sids-12）以及P. striiformis f. sp. tritici的乌雷迪尼孢子来自埃及农业研究中心。30天大的小麦幼苗用新鲜制备的乌雷迪尼孢子悬浮液（1 × 10^5孢子/mL）进行接种，该浓度可产生均匀的感染而不造成过度组织损伤[19]。悬浮液在含有0.05%（v/v）Tween-80的无菌蒸馏水中制备，以最小化孢子聚集并确保...

**参与多酚生物合成途径的基因的时间表达谱**
为了评估MNC在P. striiformis f. sp. tritici感染期间对小麦叶片的影响，在感染后1天、3天和7天评估了关键多酚生物合成基因的表达动态。分析了代表多酚生物合成途径三个主要分支（苯丙烷类、黄酮类和绿原酸）的13个基因。

**讨论**
小麦条锈病是一种主要的生物胁迫，通过干扰植物的生理和分子过程显著降低作物产量和质量。P. striiformis的感染触发了参与防御相关代谢物（特别是多酚）生物合成的关键基因的表达，这些多酚在植物免疫中起着重要作用。这些转录变化与多酚化合物的积累密切相关，多酚化合物具有强大的防御作用...

**结论**
MNC的叶面施用显著诱导了受P. striiformis感染的小麦中所有十三个参与多酚生物合成途径的基因的转录。PAL、C3H、F3′H、AN1和CHS的诱导最为显著，这些基因与木质素、绿原酸和花青素的生物合成相关。这种转录激活伴随着多酚代谢物的积累增加，特别是香豆素、焦性儿茶酚和Esculetin...

**作者贡献声明**
尤尼斯·M·拉沙德（Younes M. Rashad）：撰写——原始草稿、研究、数据管理、概念化。
哈尼·H·A·埃尔-沙尔卡维（Hany H.A. El-Sharkawy）：研究。
肖阿·A·阿尔罗拜什（Shouaa A. Alrobaish）：研究。
萨玛·H·阿尔贝哈贾尼（Samah H. Albehaijani）：研究。
希玛·I·巴希尔（Shimaa I. Bashir）：撰写——原始草稿。
萨拉·A·阿卜杜拉（Sara A. Abdalla）：研究。
奥马尔·M·易卜拉欣（Omar M. Ibrahim）：研究。
纳赫拉·T·埃尔阿扎布（Nahla T. Elazab）：研究。

**伦理批准和参与同意**
小麦颗粒来自埃及农业研究中心。温室实验得到了干旱地区栽培研究所的批准，所有方法均符合适用的指南和法规。

**出版同意**
不适用。

**资金**
作者声明本研究未接受任何公共、商业或非营利性资助机构的专门财务支持。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。