中关村旭月非损伤微测技术产业联盟 - ACS NANO江南大学杰青组：NMT发现纳米材料可抑制病原侵染引起的根部钙吸收增加为探究纳米材料提升作物抗病能力机制提供证据

ACS NANO江南大学杰青组：NMT发现纳米材料可抑制病原侵染引起的根部钙吸收增加为探究纳米材料提升作物抗病能力机制提供证据

基本信息

主题：NMT发现纳米材料可抑制病原侵染引起的根部钙吸收增加为探究纳米材料提升作物抗病能力机制提供证据

期刊：ACS NANO

影响因子：17.1

研究使用平台：NMT植物免疫创新平台

标题：Nanomaterial Size and Surface Modification Mediate Disease Resistance Activation in Cucumber (Cucumissativus)

作者：江南大学罗兴、曹雪松、王震宇、王传洗、乐乐、陶梦娜、邢宝山

获奖情况：该成果获得2022-2023年度“中关村优秀NMT成果奖”一等奖

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检测离子/分子指标

Ca²⁺

检测样品

黄瓜根部分生区（距离根尖150μm 的根表上的点）

供稿人简介

罗兴，江南大学环境与土木工程学院博士，主要研究方向是纳米农业调控技术及人工纳米材料的生物响应机制。

中文摘要

为保证粮食安全，控制作物真菌病害，本研究将不同尺寸（10和20 nm）和不同表面功能化的氧化镧纳米材料（La₂O₃NMs）应用于控制黄瓜枯萎病。结果表明，拌种和叶施La₂O₃NMs（20-200mg/kg或mg/L）显著抑制了黄瓜枯萎病（降低2.50-52.11%的发病率）。其中，叶施200 mg/L PVP表面功能化的La₂O₃ NMs（10 nm）不仅取得最佳控病效果，而且能使染病番茄果实的产量和品质恢复到正常健康组对照水平。研究发现，La₂O₃ NMs控制黄瓜枯萎病主要机理如下：（1）能与钙调蛋白（CaM）结合，激活水杨酸介导的作物获得抗性；（2）增加了抗氧化物酶活性及其相关基因的表达，缓解了病原菌引起的氧化应激；（3）能直接抑制真菌病原菌的生长。上述发现表明La₂O₃ NMs不仅具有控制作物真菌病害的巨大潜力，而且能减少传统农药在环境中的累积，降低环境风险，在可持续农业生产中展现出良好的应用前景。

离子/分子流实验处理方法

黄瓜苗叶施处理，叶施200mg/L氧化镧纳米材料和氧化镧大颗粒(BPs)于被尖孢镰刀菌侵染的黄瓜幼苗(两叶一心)，总计两次，每次间隔一周，每次施用5mL。
浸种处理，浸种浓度为100mg/kg氧化镧纳米材料和氧化镧大颗粒，随后播种于接种病原菌（尖孢镰刀菌）的土壤中。

离子/分子流实验结果

利用非损伤微测技术（NMT）对染病黄瓜根部的钙离子流速进行了测定，结果表明病原菌感染显著提高了黄瓜根部钙离子的吸收速度（图1）。然而，施用La₂O₃NMs后，染病黄瓜根部的钙离子流速基本恢复到了健康对照组水平。同时，La₂O₃ BPs对钙离子的吸收速度的影响相对较小。上述结果表明La₂O₃ NMs有可能替代钙离子和钙调蛋白或类钙调蛋白结合，进而增加抗病相关基因的表达，增强了作物的抗性。

图1. 拌种和叶施不同尺寸和PVP表面功能化的La₂O₃ NMs和La₂O₃BPs处理下，染病黄瓜地下部钙离子的流速。负值代表Ca²⁺的吸收。

其他实验结果

拌种和叶施不同浓度的La₂O₃NMs都能显著降低黄瓜枯萎病的发病指数（减少12.50-67.62%）。La₂O₃ NMs的抑病效果与NMs的施用浓度和NMs的表面功能化相关。
小尺寸的PVP表面功能化的La₂O₃ NMs能增加NMs在作物体内的吸收，但却降低了NMs在作物体内的转运能力。
La₂O₃NMs控制作物病害的机理如下：La₂O₃ NMs能与CaM结合，激活由SA介导的SAR；La₂O₃NMs增加了抗氧化相关酶（SOD和POD）的活性和抗氧化酶相关基因的表达量，减轻了由病原菌引起的氧化损伤；La₂O₃ NMs还具有直接抑制病原菌生长的能力。
施用La₂O₃NMs不仅能增加TCA及其相关氨基酸的含量，而且能上调SA通路相关物质、酚类物质和维生素的生物合成。
施用La₂O₃NMs不仅能减少病原菌对黄瓜产量的损失，而且能缓解病原菌对黄瓜的品质的影响。同时，与农药对照相比，叶施PVP表面功能化La₂O₃ NMs处理的经济收益也提高了2.61倍。