工程纳米材料抵抗作物病害的研究进展

孙 敏,郝 毅,许鑫鑫,商和平,马传鑫

(广东工业大学生态环境与资源学院/ 大湾区城市环境安全与绿色发展教育部重点实验室,广东 广州 510006)

2050年世界人口预计将达100亿,人口激增对粮食产量提出了更高的要求。但农业生产中面临着病虫害、洪涝灾害等各种挑战,病虫害的发生使得农作物产量降低、品质受损,也造成了一定的经济损失。合理施用化肥和农药能够保证作物产量并在一段时间内解决粮食增长问题,但是传统肥料利用率低以及农药滥用带来的抗药性等问题反而加剧了当前粮食危机的困境[1]。

纳米技术不仅广泛应用于化工、医药、电子等行业,在农业领域也展现出巨大的应用潜力,包括植物营养状态管理、植物病害管理、污染土壤修复等[2]。目前,大量研究主要集中于工程纳米材料(engineering nanomaterials, ENMs)与植物之间的交互作用,评估ENMs对植物的毒性效应。研究表明,相较于非纳米制剂,适宜剂量的ENMs可以更高效地提高植物光合效率、缓解植物遭受的生物或非生物胁迫。近年来,ENMs在抵抗作物病害和增加作物产量方面表现出了巨大优势。例如,SATTI等[3]报道,40 mg·L-1的二氧化钛纳米颗粒(TiO2NPs)有效缓解了小麦斑点病病情严重程度。此外,ELMER等[4]发现,与大尺寸颗粒(bulk-sized particles)或硫酸盐相比,氧化铜纳米颗粒(CuO NPs)、氧化锰纳米颗粒(MnO NPs)和氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)对番茄和茄子黄萎病和枯萎病的抑制效果更好,同时CuO NPs处理显著增加了果实产量。

纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大、反应活性高等独有的理化特性,能够提高生物利用率,进而高效改善植物营养状况,抑制植物病害,促进植物生长,从而提高作物产量[5]。在农业应用中,基于纳米技术研发的纳米农药、纳米肥料等纳米级农化品具有缓释的特点,是实现精准农业和可持续发展农业的重要手段,如新型纳米农药具有高输送效率、低剂量、不易使植物产生抗性、低毒性、存储和使用过程中的稳定性、叶面高附着性、高溶解性、生物可降解性、环境友好性等特性[2,6],弥补了传统农药的不足之处。

深入探究纳米材料在植物病害防治方面的详细机制是未来利用纳米材料更好地服务农业、发展环境友好型农业的基础。明确纳米材料对作物病害的作用机理,也有利于纳米材料合成者更有针对性地设计出高效纳米农药制剂。虽然目前国内也开展了大量利用纳米材料防治作物病害的植物实验,但是鲜有系统性总结纳米材料抵抗作物病害机制的综述。前人关于总结纳米材料抗病机制的研究多局限于纳米材料对致病菌的直接抑制作用,或者片面总结纳米材料通过调节植物抗氧化酶活性的方式来帮助植物抵御病害。而该研究在综合分析现有利用ENMs改善作物病害研究的基础上,从以下3个方面深入系统地阐释和讨论了ENMs抵抗作物病害的机理:(1)ENMs通过直接释放金属离子或在颗粒表面产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)的方式对病原菌造成物理结构损伤,以实现直接抵御作物病害的目的;(2)在植物染病前施加ENMs,诱导植物产生抗病性;(3)ENMs通过激活和调控植物自身防御系统来帮助植物抵御病害(植物抗氧化防御系统调控、营养元素调控、植物激素调控、光合机制调控)。因此,系统性地归纳总结纳米材料的抗病机理对于现代农业中的植物病害管理具有十分重要的理论及现实应用意义。

1 ENMs的直接抗菌作用

目前主要将ENMs的直接抗菌机制分为2类:(1)金属纳米颗粒(metal-based nanoparticles,MNPs)及其溶解释放出的金属离子对病原微生物的直接抑制作用;(2)ENMs表面通过产生ROS抑制致病微生物生长。ENMs对病菌的直接作用效果主要是干扰胞内脱氧核糖核酸(DNA)复制和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)合成等正常生理代谢活动,对致病微生物造成物理结构损伤,导致细胞膜变形、细胞质凝结和细胞空泡化、胞内物质泄漏等后果(图1)。

图1 ENMs对植物致病菌的直接作用效果

其中MNPs释放出的金属离子可通过静电作用吸附在病菌细胞膜上,再通过内吞作用等方式进入细胞,与病菌细胞膜上含巯基、氨基、羟基、羧基或磷酸基的酶或蛋白质发生相互作用,使重要膜蛋白的活性和功能受损,细胞膜结构变形,细胞中酶失活[7-8];细胞膜结构受损后胞内物质泄漏,进一步造成细胞死亡[8-9]。ENMs还可以通过在颗粒表面释放ROS作用于病原体细胞,对病菌造成氧化应激。ROS进入细胞后使蛋白质变性、抑制DNA复制,导致脂质过氧化等不可逆损伤;ROS还可与ATP合成相关酶作用,干扰ATP合成过程[9-10]。例如,ZnO NPs具有很高的光催化活性,在紫外光下会产生ROS(如H2O2),破坏微生物细胞壁,对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有良好的的杀菌效果;TiO2NPs也可以经光催化产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(O2-·),穿透病菌细胞壁与细胞膜中的脂质发生过氧化反应,从而达到抑制病菌生长的目的[11-13]。

工程纳米材料(ENMs),尤其是金属基纳米材料,通过释放金属离子(M+)或产生活性氧(ROS)的方式直接作用于植物病原微生物,金属离子和活性氧进入病原微生物后常造成胞内物质泄漏、抑制DNA复制、干扰腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)合成和蛋白质变性等后果,从而抑制病原菌生长和繁殖[8-10]。

此外,银基和铜基纳米材料是目前研究较多的金属基纳米抗菌材料。银基纳米材料拥有良好的抗菌活性,其制成的多种纳米制剂在植物病害管理中发挥了重要作用。银基纳米材料可以通过释放Ag+使病菌细胞膜渗透性增加,诱导胞内磷酸盐流出及细胞内容物泄漏,干扰ATP生成和DNA复制等过程。MARAMBIO-JONES等[14]指出,银纳米颗粒(Ag NPs)及其释放的Ag+可直接接触菌体,产生大量ROS。PARK等[15]阐明,Ag+通过与呼吸链酶中的巯基相互作用,损害还原型辅酶I(NADH)等必需酶,产生超氧自由基。CARLSON等[16]则指出,银纳米颗粒可与真核细胞中的谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)或其他谷胱甘肽维持酶直接结合,而GR是清除ROS的有效酶,可使真核细胞的抗氧化防御机制受到抑制。构建银ENMs复合体来提高材料抗菌活性也是目前研究的重要方向。例如OCSOY等[17]设计出一种用Ag NPs和氧化石墨烯(graphene oxide,GO)载体合成的Ag@dsDNA@GO复合物,16 mg·L-1Ag@dsDNA@GO对穿孔黄单胞菌(Xanthomonasperforans)的致死率为100%。

铜基纳米材料也是一种使用广泛且效果显著的抗菌试剂,与常规铜抗菌试剂相比,其优势在于能缓慢释放Cu2+,因而有更持久的抗菌效果[10]。WU等[18]和KELLER等[19]均指出,铜基纳米颗粒的一个重要毒性机制在于其通过扩散内化或内吞作用进入细胞,在纳米颗粒表面或胞内溶解的Cu2+附近产生ROS,对病菌造成氧化损伤,此外还有膜损伤、电子传递活性降低等毒性机制。KAWEETEERAWAT等[20]也证实50 mg·L-1Cu NPs对大肠杆菌和短乳杆菌造成了氧化应激,导致质粒DNA完全降解。CHEN等[21]研究发现,经250 mg·L-1CuO NPs处理2 h能使青枯菌(Ralstoniasolanacearum)完全失活,并且CuO NPs严重干扰了青枯菌的生理代谢,具体表现为降低了ATP生成水平以及病菌在液体培养基中的运动性,显著抑制了生物膜的形成;基因表达结果亦表明,CuO NPs处理使得青枯菌体内与运动性、生物膜形成和致病相关的基因表达水平下调。

2 ENMs在植物染病前施加——诱导抗病机制

ENMs可以在植物染病之前施加起预防作用,也可以在染病之后施加起缓解病症的作用。后者缓解病症主要是依靠ENMs清除病害入侵造成的过量ROS,而前者大多能发挥诱导植物抗性的作用,大致可以分为2类:一种是能对植物形成生物刺激的较低的施加剂量,这种剂量恰能增强植物营养、促进植物生长,提高作物抗性,进而增强植物抵抗病害胁迫的能力。而另一种是能对植物造成非生物胁迫的剂量,该剂量下的ENMs进入植物体内后触发了防御系统,使得植物体内抗氧化物质上调,当致病菌再侵染时植物能快速对致病微生物产生的生物胁迫做出反应。DIVYA等[22]在对水稻接种立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)前先用壳聚糖纳米颗粒(chitosan nanoparticles,ChNPs)对叶片进行预处理,结果发现在离体叶片实验和植物抗病实验中ChNPs对病害的抑制率分别达到90%和75%,充分表明ChNPs是水稻对纹枯病系统抗性的有效激发因子,提高了水稻植株对病原微生物的抗性。

ENMs还可以通过诱导植物产生系统获得性抗性(systematic acquired resistance,SAR)来抵御致病菌侵染。SAR指植物局部组织在遭遇病原体侵染时,在被侵染组织处会形成抗性;同时这种经诱导形成的抗性能传递到植物未被侵染部位和远端组织,从而使得整株植物都拥有抗性[23]。在SAR信号传导过程中,要依靠水杨酸(salicylic acid,SA)、NO和ROS等信号分子将抗病信号从受侵染部位长距离传送至植株全身,同时也激活了病程相关基因(pathogen-related gene,PR),PR的表达水平随之增加,进而增强植物对病原菌的抵抗能力[23-26]。SAR具有广谱性、持久性和系统性[27],植物形成SAR后,能对植物起到长时间的保护作用。

值得注意的是,SAR除了可以由病原菌诱导攻击植物而获得,还也可以由“抗性诱导化合物”处理之后获得。抗性诱导化合物一般应满足如下条件[28]:(1)不表现出直接的抗菌活性;(2)对病原菌具有广谱抗性;(3)能诱导SAR标记基因的表达。硅、磷酸盐、核酸、聚丙烯酸等被认为是极具潜力的抗性诱导化合物,尤其是硅(Si)[29]。EL-SHETEHY等[30]发现,二氧化硅纳米颗粒(silicon dioxide nanoparticles,SiO2NPs)能诱导拟南芥产生SAR,增强拟南芥的抗病性。在体外实验中,SiO2NPs并未抑制培养基中有毒丁香假单胞菌(Pseudomonassyringae)的生长,但是植物实验中对叶片预先进行SiO2NPs处理再接种病菌,3 d后叶片上菌落计数结果表明,有毒丁香假单胞菌的生长量降低数倍,病情得到有效抑制。CAO等[31]也指出,硫纳米颗粒(SNPs)激活了番茄SAR途径,上调了PR和抗氧化酶相关基因的表达(11%～352%),同时也增加了疾病相关生物分子的活性和含量(5%～49%)。

3 ENMs在植物染病后施加——增强植物防御系统能力

目前发现能充当抗性诱导化合物的ENMs种类有限,因此更多的还是研究植物患病后再施加ENMs以达到抑制作物病害的目的。病原菌感染会引起植物体内一系列生理和生化改变,如氧化损伤爆发、细胞死亡、植物防御素(phytoalexin)和抗病蛋白的合成、木质素和胼胝质的沉积[28,32],这些改变属于植物应对生物胁迫做出的防御反应。ENMs除了能直接抑制病原体活性,还能通过改善植株体内营养状况、调节植物防御激素水平和抗氧化酶活性等方式增强植物的抵抗机制,缓解病源菌侵染造成的氧化损伤,即ENMs通过强化植物自身防御系统来间接抵御病害侵染[10, 33]。

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病原体入侵对植物造成的最大伤害是氧化损伤,即植物体内产生过量ROS。植物在呼吸和光合等正常有氧代谢过程中会不断地在线粒体和叶绿体等部位产生ROS,低水平的ROS作为信号分子在植物的生长、发育和防御过程中发挥了积极作用,但由病原菌侵染引起的植物细胞内高水平的ROS则会对植物造成氧化损伤[34-35]。氧化损伤的主要表现是脂质过氧化、蛋白质和DNA损伤,而MDA是植物细胞膜发生膜脂过氧化的重要指标物质之一,常被用来表示细胞膜脂过氧化程度和植物抗逆境反应的强弱。

植物自身体内含有一系列活性氧清除机制,主要是通过包含酚类化合物、类胡萝卜素、植物激素等次生代谢物和还原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)、抗坏血酸(ascorbate)的非酶途径以及包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)、GR、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)等抗氧化酶途径来清除ROS[34-38]。研究发现,用ENMs处理植物可以刺激次生代谢物的产生,提高抗氧化酶的活性,在一定程度上减轻由病原菌侵染而造成的氧化伤害,起到抑制植物病害的作用[10]。下文主要讨论ENMs通过营养调控、增强植物抗氧化防御系统等方式来帮助植物缓解因病原入侵造成的氧化损伤。

3.1 抗氧化酶与非酶物质的联合作用

在清除ROS的过程中抗氧化酶并非单独起作用,而是几种酶在体内协同合作共同清除ROS。SOD是ROS清除系统的第一道防线,能将O2-·歧化为O2和H2O2,降低活性氧自由基对细胞的伤害,随后H2O2又被CAT清除;APX、GPX、过氧化物酶(peroxidase, POD)等在清除H2O2中也发挥了重要作用,减轻植物所受的氧化胁迫[34-35]。

GSH、抗坏血酸和酚类化合物是植物自身清除ROS的非酶机制中的重要组成部分[36],其中酚类化合物是植物体内重要的次生代谢物,参与了生物胁迫诱导的植物防御机制,能够有效清除自由基[39]。莽草酸途径(shikimic acid pathway)是酚类化合物的主要合成途径之一,该途径将碳水化合物前体分子转化成苯丙氨酸,苯丙氨酸继而衍生出木质素、花青素等重要酚类物质[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在此过程中的催化作用至关重要[40]。其中花青素是自然界中最常见的类黄酮物质,能释放出H+猝灭氧自由基,抑制脂质过氧化[41];木质素是一种酚类杂聚物,存在于植物细胞壁中,有支撑和强化植物组织的作用,可通过物理阻断或增加叶片韧性的形式限制病原体的进入。当植物遭遇病原体攻击时木质素能快速沉积以抵抗病原体,阻止病原菌的进一步繁殖和侵染[42-43]。因此,抗氧化酶除了直接作用于活性氧自由基以外,在协助非酶物质清除活性氧中更是发挥了不可或缺的催化作用。研究结果亦表明,对染病植株施加NMs后可在一定程度上调节植株体内的抗氧化酶活性,提高次级代谢物生成水平,清除过量的ROS。QUITERIO-GUTIÉRREZ等[44]通过叶面施用不同组合浓度的Se NPs和Cu NPs缓解了由茄链格孢菌(Alternariasolani)侵染导致的番茄早疫病病情。与染病对照相比,20 mg·L-1Se NPs + Cu NPs处理使得染病植株叶片中APX、GPX、PAL等抗氧化酶活性显著提高了127.8%～434.6%,同时果实中GSH、类黄酮类和酚类等非酶类抗氧化物质的含量也显著增加了22.2%～27.1%。

植物体内高水平的防御酶对于清除ROS、保护植物免受致病微生物产生的氧化应激具有重要意义。YOUSSEF等[45]发现,壳聚糖/二氧化硅纳米复合材料(chitosan/silica nanocomposites, CSNs)可以提高葡萄的抗氧化酶系统,缓解由灰葡萄孢菌(Botrytiscinerea)引起的葡萄灰霉病;施加10 mg·L-1CSNs能完全抑制灰霉病的发生,并且48 h后染病葡萄组织中SOD、APX、POD活性、总酚和类黄酮含量较染病对照显著增加了1.2～1.6倍。此外,SHEN等[46]在研究铜基ENMs提高番茄对尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporum)的抗性时发现,叶面喷施CuO NPs和铜纳米片减少了番茄植株40%～56%的疾病,同时与染病对照相比,CuO NPs处理使得PAL和POD活性显著增加了66.5%和37.7%,而铜纳米片处理也使得番茄植株中PAL和POD活性显著增加了93.6%和49.1%,2种铜基纳米材料均能通过提高抗氧化酶活性来提高患病植株对尖孢镰刀菌的抵抗能力。在基因水平上,关于ENMs调控染病作物抗氧化酶相关的基因,进而提高植物的抗病能力亦有报道,如MA等[47]通过研究不同类型铜基纳米材料改善大豆猝死综合症时发现,经镰刀菌(Fusariumvirguliforme)侵染的大豆根部在铜基纳米材料作用下PPO、POD、PAL相关基因表达均显著上调(2～7倍),表明叶面施加ENMs对真菌病害有积极的缓解作用。相似的结果亦在镰刀菌(Fusariumoxysporum)侵染番茄实验中有报道[48]。

综上, ENMs抑制作物病害的一个重要机理在于ENMs作为外源物作用于染病植株,通过上调防御酶相关基因的表达,增加SOD、CAT、APX、GPX和PAL等重要抗氧化酶的活性,进而促进花青素等重要酚类物质、抗坏血酸、GSH等合成,实现活性氧自由基更高效的清除效果。

3.2 营养调控

植物进行次生代谢以抵抗逆境,但被致病微生物侵染后,次生代谢物的产生会受到抑制。微量营养元素可以作为辅助因子激活合成次生代谢物过程中所需的酶[33,49]。当组织中微量营养元素含量充足,植物便能充分抵御病原体的入侵。与微量营养元素相关的纳米颗粒通过释放出相应元素的离子,既能为植物提供生长所必需的Fe、Mn、Zn、Cu等微量元素,促进植物生长,增强植物自身营养[2],也能协助激活植物防御系统,提高植株抗病能力。

植物感染病菌后体内营养元素含量失衡[50],而ENMs的施加可以缓解元素失衡的现象,同时通过增强植物营养状况的方式来抑制病原菌侵染。例如,SHANG等[51]发现CuS NPs通过调节植物营养以抑制水稻赤霉菌(Gibberellafujikuroi)感染,赤霉菌侵染减少了水稻体内大量营养元素含量,但经种子或叶面喷施铜基纳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%)等营养元素的含量,且植株发病率减少了35.1%～45.9%。MA等[47]同样证实了铜基纳米材料可以通过调节植物营养状态来减轻由镰刀菌(Fusariumvirguliforme)引起的大豆猝死综合症。

3.3 植物激素

植物激素也是植物防御系统的重要组成部分,广泛参与了植物抗病过程[53]。SA和茉莉酸(jasmonic, JA)是主要的植物防御激素,乙烯(ethylene, ET)、脱落酸(abscisic acid, ABA)、吲哚乙酸(indoleacetic acid, IAA)、赤霉素(gibberellin, GA)、细胞分裂素(cytokinin, CK)和油菜素内酯(brassinolide, BR)等也能够作为植物免疫系统中的调节因子发挥作用,帮助植物应对多种逆境胁迫[53-54]。一般认为,SA参与激活植物对抗活体和半活体营养型病原菌的防御反应,SA也能作为信号分子参与植物SAR,诱导多种PR基因的表达,帮助植物抵御病原菌的入侵[55-56]。JA则参与对抗死体营养型病原菌,在遭遇病原体攻击时能快速合成,JA参与了植物的诸多生命活动(种子萌发、根生长、果实成熟等过程),同时也与植物抗逆性密切相关[54]。目前,利用ENMs防治作物病害的研究中发现,ENMs可以调控染病植物体内防御激素的基因表达和含量水平,从调控植物激素网络的角度参与植物抗病[47,51,57]。

铜基ENMs叶面施加于感染了尖孢镰刀菌的大豆幼苗后,与大豆生长相关的植物激素基因的表达发生显著改变,并且ENMs显著抑制了植株发病情况,植株活力明显提高[47]。此外,CuS NPs能通过调节水稻体内植物激素含量来抑制水稻赤霉菌的侵染[51]:染病后的种子经50 mg·L-1CuO NPs、CuS NPs处理后,发病率显著降低8.1%～45.9%,染病后的水稻地上部JA含量降低了50%,而染病种子经CuS(1∶4)NPs处理后幼苗体内JA含量显著增加,恢复至健康对照水平。由各激素水平变化推测致病微生物的侵染抑制了JA合成,而铜基ENMs处理触发了水稻体内天然防御系统,提高了染病水稻中JA水平。类似地,HAO等[58]也发现,ENMs通过上调玫瑰花内源激素的含量以提高玫瑰对白粉病菌(Podosphaerapannosa)侵染的抗性,其中与染病对照相比,植株地上部的玉米素核苷(zeatin riboside, ZR)含量经200 mg·L-1CuO NPs、TiO2NPs、多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotube, MWCNTs)、还原性氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)处理显著增加了85%～113%;此外,200 mg·L-1TiO2NPs和CuO NPs处理也分别显著增加了二氢玉米素核苷(dihydrozeatin riboside,DHZR)、异戊烯基腺苷(isopentenyl adenosine,IPA)含量达43%和53%。类似地,ADEEL等[59]利用碳基纳米材料抑制烟草花叶病毒的实验也发现,200 mg·L-1碳纳米管(CNTs)和富勒烯(C60)能够使染病烟草体内的ABA和SA含量增加33%～52%,同时与SA和ABA合成相关基因上调了94%～104%。综上,ENMs可以通过调控染病植株体内的激素网络来提高作物对病害的抵抗能力。

3.4 光合响应机制

光合作用是植物重要的生理代谢过程之一,光合作用产物为植株生长发育提供了充足营养。致病微生物侵染会降低光合作用效率,进一步导致植物生长停滞、生物量下降。前期研究结果表明,施用适宜剂量的ENMs能在一定程度上提高染病植株的光合能力[46,60-61]。

光合作用的光反应阶段在叶绿体的类囊体膜上进行,包括原初反应、光合电子传递和光合磷酸化,其中类囊体膜上的光合电子传递体由光系统Ⅰ(photosystem Ⅰ, PS Ⅰ)、光系统Ⅱ (photosystem Ⅱ, PS Ⅱ)和细胞色素复合体等单位组成[62]。光反应可以为暗反应阶段提供ATP和还原型辅酶Ⅱ(NADPH),而暗反应(碳同化过程)是在叶绿体基质中进行的典型酶促反应。其中碳同化是将游离CO2通过羧化反应固定在有机物上的过程,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)等关键酶的催化作用下经C3或C4途径生成葡萄糖、淀粉等最终光合产物[63]。

ENMs能正面作用于植物光反应阶段,促进水的光解放氧过程,增强光捕获、吸收和转换能力,加速光合电子传递过程,提高光合磷酸化效率[64-67];同时ENMs也能增强暗反应过程中Rubisco和PEPC等限速酶的活性,提高碳水化合物产量[68-69](图2)。ENMs在植物光反应阶段可以提高光捕获(light harvesting)和光转换能力(light conversion),加速光合电子传递效率(electron transfer rate),有利于类囊体膜(thylakoid membrane)上的光裂解水放出氧气和电子的反应过程[64-67];同时,ENMs可以改善植物暗反应中Rubiso和PEPC关键酶的活性,最终提高光合产物产量[68-69]。

图2 ENMs改善植物光合性能的示意

在研究ENMs如何介导植物光反应阶段时,LU等[70]发现水稻对石墨烯的吸收有利于促进叶绿体的光合磷酸化:石墨烯良好的导电性能提高类囊体膜上PS Ⅱ的电子传递效率;同时石墨烯能猝灭光合作用副产物ROS,保护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,进而增加了ATP产量。TIWARI等[71]亦发现,0.5～2.0 g·L-1的TiO2NPs能显著上调PS Ⅰ基因的表达,提高番茄植株的量子产额、总叶绿素含量等光合参数,使植株生物量增加约50%。ZE等[66]则指出,TiO2NPs促进植物光合作用的机制在于诱导拟南芥类囊体膜上捕光复合体Ⅱ(light harvesting complex Ⅱ, LHC Ⅱ)基因的表达,使得LHC Ⅱ含量显著增加,进而促进叶绿体对光的吸收;同时还能促进光能向电能的转化,促进水的光解和放氧过程。

Rubisco催化过程是碳同化过程中的限速步骤,但是实际条件下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、提高植物生产力和资源利用效率的主要目标[72]。ENMs的介导可以改善Rubisco催化效率,进而提高植物光合效率,使得干物质积累量增加。如GAO等[68]曾报道nano-TiO2可以提高菠菜中Rubisco活性,提高光合碳反应的速率,从而促进菠菜生长。LI等[69,73]指出碳点(carbon dots, CDs)也具有提高植物光合作用效率的潜力,其中0.56 mg·mL-1CDs显著提高拟南芥体内Rubisco活性达42%,并且Rubisco活性的增加使得碳水化合物含量显著提高了17.9%。LI等[67]在水稻实验中也发现CDs能作为植物光合作用的光转换器,增强光吸收能力和量子产率;300 mg·L-1CDs均匀喷施于水稻幼苗叶片后,使PS Ⅱ的电子传递速率和光合效率分别提高了29.81%和29.88%,叶绿素含量和Rubisc O羧化酶活性分别显著提高了64.53%和23.39%,水稻地上部和根干重增加64.31%和61.79%。

适宜剂量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产物水平以及植株健康程度,最终增强植株抵抗病害的能力。如番茄被尖孢镰刀菌(Fusariumvirguliforme)侵染后,叶绿素a、b和类胡萝卜素含量减少了29.3%～48.4%,但染病植株经铜基纳米材料处理后,叶绿素含量恢复到与健康对照相当的水平,病害也得到有效控制[46]。大豆经镰刀菌侵染后生长受抑制,净光合速率(Pn)下降43%,但叶面喷施铜基纳米材料后Pn恢复到健康对照组的水平,同时染病植株地上部和根部生物量分别增加了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报道了类似的结果[60]。GORCZYCA等[61]研究发现,Ag NPs处理减少了小麦苗枯病的发生,同时增加了受镰刀菌侵染小麦PS Ⅱ的最大量子产量(Fv/Fm)。

综上,ENMs在改善植株光合性能方面展现出来的潜力也为利用ENMs防治作物病害指明了方向:即通过对作物外源施加ENMs可以提高患病植株光捕获、吸收和转化能力,以及改善光合作用碳反应阶段关键限速酶的活性,从而增加植株光合产物水平,间接帮助植物抵御病害。

3.5 ENMs抗病效果的影响因素

在实际应用中,影响ENMs作用效果的因素很多,如 ENMs本身的理化特性,包括组成、粒径大小、电荷、形态、表面功能化修饰、离子溶出度、团聚程度、反应活性等;其次,植物不同生长阶段、培养基质(水培、土培)、ENMs暴露方式和时间等均会影响ENMs的最终作用效果[74]。就粒径而言,较小的纳米粒子更容易穿透细胞壁进入细胞发挥直接抗菌作用[7];再者,纳米材料通过叶喷或根施等方式用于防治植物病害时,粒径更小的纳米材料也更容易进入植物叶片或根部,输送活性成分至植物全身,如植物在植物叶面主要通过角质层和气孔2个途径进入植物叶片。目前尚不清楚气孔途径对穿透纳米材料的尺寸限制[1,75],但是当极性溶质通过亲水途径由角质层进入叶片内部组织时存在0.6～4.8 nm的尺寸限制[75-77]。叶片表面绝大部分被角质层覆盖,所以较小尺寸的纳米材料更容易进入植物组织,进一步发挥作用[78]。同时ENMs的表面形态(表面形状、光滑程度)对其作用效果也有很大影响,如LI等[79]通过改变ENMs表面粗糙度增加了叶面氮肥在植物叶片上的附着,从而提高叶面氮肥的利用率。类似地,Cu3(PO4)2纳米片层防治西瓜镰刀菌病的有效剂量大约是不规则形状的CuO NPs的一半[80]。造成这种效果差异的原因正是ENMs形态、组成和溶解性质的不同。此外,在利用不同形态的铜基纳米材料防治大豆猝死综合征和番茄根腐病研究中也报道了类似的结果[46- 47]。ENMs在实际应用中常常发生团聚,减少了材料的有效表面积,降低了ENMs在土壤中的流动性和在叶面的有效性;同时较大的团聚体在进入细胞壁或细胞膜时受阻,因而降低了植物对ENMs的生物利用度[81]。如Ag NPs与细菌接触时容易结块,OCSOY等[17]针对此现象合成了一种分散性能更好的Ag@dsDNA@GO复合物,其中16 mg·L-1Ag@dsDNA@GO(5 nm)即可在1 h内对穿孔黄单孢菌(Xanthomonasperforans)造成100%的死亡率。在利用ENMs治疗植物病害时大多是在植物发病后才开始的,但是在发病前甚至在种子阶段即进行ENMs处理也是预防植物疾病的一种方法。这种预处理主要是依靠对植物进行生物强化以增强作物营养进而提高作物抗病能力来实现的[82]。而且相比于土壤和叶面施用方式,种子处理时ENMs的利用率更高,成本更低,也减少了散失到环境中的活性成分含量和可能带来的环境风险[83]。

因此,在实际利用ENMs防治作物病害时,选择合适的纳米材料和施用剂量是关键,既要保证能有效控制病害,也要兼顾如何将所用纳米材料对环境可能造成的负面影响降至最低,在高效防治作物病害的同时减少环境污染。

4 结论与展望

纳米技术在农业生产中发挥了重要作用,ENMs在植物病害和营养管理方面展现出的高效低剂量特性有助于实现提高作物产量和品质、减少农用化学品带来的环境负荷、节约环境资源等多重目标。此外, ENMs在病害管理方面的主要机制可以归因于破坏病菌结构和缓解植物受到的生物胁迫诱导的氧化应激。深入探究ENMs防治作物病害的作用机理也为未来利用纳米材料进行植物病害管理的高效发展提供了一定的方向。未来在利用纳米材料防治作物病害时也需要关注以下几个方面:

(1)通过实验筛选出促进农作物生长的常见ENMs的最大浓度阈值。从环境保护的角度出发,由于ENMs的广泛应用,其不可避免地被排放到自然环境中,筛选出常用ENMs最大浓度阈值也有利于制定相应法律法规以限制ENMs的排放。此外,在促进生长浓度的基础上有利于进一步探究适于病害防治的最佳ENMs浓度。

(2)优化提高ENMs抗菌性能的条件。如前所述存在诸多影响ENMs发挥抗菌作用的外界和内在因素,也可以在优化外在环境条件的基础上通过表面功能化修饰等方式改善ENMs的自身特性,尽力发挥最佳抗菌效果。

(3)开发出更多种类的能用于治疗作物病害的纳米材料,不仅仅局限于金属基、碳基纳米材料,也着眼于复合型纳米材料的设计和合成。

(4)在已知的ENMs的抗菌机理的基础上深入探究ENMs帮助植物抵御病害的间接作用机理。如ENMs如何在分子水平上通过调节与抗病相关基因的表达或蛋白的合成来提高植物抗病性,以及ENMs如何通过调控植物激素网络来帮助植物缓解病情,再者ENMs如何通过介导光合作用提高患病植株光合活性、增加植株光合产物水平来实现抵抗作物病害的目的。对纳米材料介导植物病害防治的细化机理研究才是纳米材料能在未来实际应用于植物病害管理领域的理论基础。

(5)逐步推广纳米材料在实际农业病害管理中的应用,力求将将科研实验成果转化为实际农业生产成果。就目前的学术研究而言,纳米植物实验大多是在实验室或温室条件下进行的,但是田间试验是检验在自然条件下纳米材料是否具有高效防治作物病害功效的重要途径。针对纳米材料在复杂的田间自然环境下防治作物病害时可能暴露出的问题进行进一步的优化和完善,以设计出能投入实际农业生产的纳米制剂和施用方案。