编号：YYHY00974

篇名：介孔二氧化硅增强马铃薯抗晚疫病的作用机理研究

作者： 郭雪萍

关键词： 马铃薯晚疫病; 致病疫霉; 介孔二氧化硅; 孢子囊; 活性氧; 转运; 抗侵染;

机构： 福建农林大学

摘要： 本研究以介孔二氧化硅纳米颗粒（Mesoporous silica nanoparticles,MSN）为研究对象,深入探讨了其作为新型绿色纳米杀菌剂对马铃薯晚疫病病原体—致病疫霉菌（Phytophthora infestans）产孢过程的控制效果及其作用机制,并系统研究了MSN对马铃薯植株生长、生理生化特性、元素吸收以及抗病性的影响。通过在实验室前期合成方法的基础上对MSN进行扩孔,合成了具有超高比表面积（786.28 m2/g）的MSN,通过扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外光谱、zeta电位测定等多种技术手段,对MSN的物理化学特性进行了全面表征,发现其具有高比表面积、多孔结构、表面富含羟基且带负电等特性。平板对比试验表明MSN能长期有效抑制P.infestans的生长,与商业杀菌剂相比具有显著优势。 此外,研究发现MSN能够显著抑制P.infestans的生长和繁殖,主要表现在孢子囊形态结构的改变、游动孢子释放和生物膜形成受抑制以及游动孢子侵染能力下降等方面。P.infestans孢子囊的产生和质量直接影响病菌的传播范围和侵染能力,进而影响病害的发生和流行。对比实验结果表明,经过MSN处理的P.infestans孢子囊畸形率与对照组相比有显著差异,在200 mg/mL的MSN处理下,孢子囊畸形率可达50%以上,而对照组的畸形率仅为10%左右,孢子囊萌发率和游动孢子释放率也分别下降了66.7%和48.5%。 在深入探究氧化应激及DNA损伤的实验过程中,发现MSN处理可诱导P.infestans孢子囊产生氧化应激反应,诱导产生三种不同类型的活性氧（ROS）,具体包括超氧阴离子(O2·-)、羟基自由基（·OH）和单线态氧（1O2）,ROS的大量积累对P.infestans孢子囊的细胞结构和功能产生了多方面的影响,导致抗氧化酶活性变化,细胞膜脂质过氧化损伤、使细胞内容物质泄漏并造成DNA损伤,从而抑制孢子囊的致病性,并且随着处理时间的延长,MSN还可能在孢子囊内部聚集并进一步引发游动孢子的死亡。 结合转录组学分析进一步揭示了MSN对P.infestans产孢期间基因表达的影响。研究发现,在MSN处理下,P.infestans共有853个差异表达基因（DEGs）,其中342个基因上调,511个基因下调。特别是在氧化应激和解毒相关基因中,6个氧化应激相关基因表达上调,10个解毒相关基因表达下调,表明MSN可能 通过诱导氧化应激来抑制P.infestans的产孢或孢子囊畸形生长。此外,核糖体生物合成和嘌呤代谢途径中的基因表达统一下调可能影响P.infestans的能量消耗和嘌呤水平,进而影响其生长和致病能力。 盆栽实验中,带有异硫氰酸荧光素（FITC）标记的MSN被观测到能够从马铃薯（Solanum tuberosum）叶片向下转移到根部,增强植株的生理和生化过程,提高对P.infestans的抵抗力,促进植株伸长生长并增强抗倒伏能力。实验数据显示,经过MSN处理的马铃薯植株在水分含量、叶绿素含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量方面均有显著增加,并且能够影响马铃薯植株对各种微量元素的吸收与利用。特别是在300 mg/L的MSN处理下,马铃薯叶片的水分含量增加了3.98%,可溶性糖含量增加了21.5%,脯氨酸含量增加了10.47%。MSN处理还显著提高了叶片中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等抗氧化酶的活性,增强植株抗氧化防御能力。这些结果表明,MSN不仅能提高马铃薯的水分保持能力,还能增强其对非生物胁迫的抵抗以及马铃薯晚疫病病原菌P.infestans的侵染。 在土壤微生物安全性方面,MSN对土壤微生物群落多样性的影响不显著。主成分分析（PCA）结果显示,MSN处理的土壤样本与对照组样本的相似性高,表明MSN对土壤微生物群落结构的影响有限。Chao 1指数和ACE指数作为评估样本丰富度的指标,结果显示MSN处理的土壤样本与对照组样本的差异不显著,表明MSN对土壤微生物群落的丰富度影响较小。Shannon多样性指数显示,MSN处理的土壤微生物群落多样性较高,表明MSN对土壤微生物群落的多样性影响不显著。 综上所述,本研究证实了MSN作为一种新型绿色纳米杀菌剂在控制马铃薯晚疫病中的潜力。MSN不仅能显著抑制P.infestans的生长和繁殖,还能增强马铃薯植株的生理和生化过程,提高植株对病原体的抵抗力,且对土壤微生物友好。这些发现为开发新型、环保的马铃薯晚疫病控制策略提供了科学依据,对于全球食品安全和农业可持续发展具有重要意义。