上海交大张欢课题组开发了基于纳米材料的绿色防控新策略

日前，上海交通大学张欢课题组在Plant Biotechnology Journal杂志上在线发表了题为“Sunlight-sensitive carbon dots for plant immunity priming and pathogen defence”的研究论文。该研究设计合成了一种光敏性可降解的碳点(Carbon Dots, CDs)，在提高植物抗病性的同时不会影响植物的产量，同时还可充当广谱的抗真菌剂。

极端天气和病原微生物对全球粮食生产造成了极大威胁。纳米材料，包括纳米银、铜、硅、硒以及碳纳米材料等已被报道可以增强植物的抗病性，但金属性纳米材料容易造成环境安全隐患。CDs 是一类零维碳基纳米材料，具有合成成本低、尺寸小、生物相容性高的优点，具有增强植物的光合电子传递、促进植物对水分和养分的吸收、提高植物抗氧化和抗逆性等生物学功能。因此，研究团队以邻苯二胺和胱氨酸为合成前体，通过一步水热法合成了光敏性CDs，通过材料表征发现该CDs表面存在丰富的富电子基团和胱氨酸残基，赋予CDs优异的光催化属性，使其在太阳光照下可以产生多种活性氧，同时降解自身。进一步研究发现，使用低浓度的CDs喷施处理4-8小时后，在番茄和烟草的叶片中检测到了活性氧的爆发，同时，CDs预处理还增强了叶片的抗氧化酶活性，上述结果表明，CDs预处理可以触发叶片内的抗氧化防御响应。进一步使用灰葡萄孢菌的菌丝接种CDs预处理的番茄和烟草叶片发现，CDs预处理可以显著降低烟草（33%）和番茄（12%）叶片的发病率。为揭示CDs增强植物抗病性的潜在机制，研究团队对CDs预处理的番茄叶片进行了转录组测序分析，结果发现CDs处理组的差异表达基因显著富集在抗抗氧化物质、角质、蜡质和木质素等物质的合成途径以及激素和MAPK信号转导通路。表明CDs在叶片表面产生的活性氧可能造成了植物叶面蜡质和细胞壁组分的氧化损伤，破坏了细胞壁完整性，从而诱导了活性氧的爆发以及抗毒素的合成等系列免疫反应，增强了植物的抗病性。研究还发现较高浓度的CDs处理会破坏S. sclerotiorum、B. cinerea和P. capsici的细胞壁和细胞膜结构，造成核酸物质的氧化损伤，表现出高效和广谱的抑菌活性。此外，即使在高浓度处理下，CDs也不会影响植物的光合效率和产量。研究结果不仅揭示了光敏性CDs的免疫诱导和抑菌的双重生物学功能，其可降解性和低毒性使其有望成为化学抑菌剂的替代物。

该研究得到了国家自然科学基金、博士后面上项目、国家资助博士后人员计划、上海市浦江人才计划等项目的资助。