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【科研进展】我院博士研究生蒋沁宏研发了一种可钝化植物病毒的多功能纳米诱抗剂

花匠小妙招
2024-10-07 06:38

近日，我院沈杰/闫硕团队在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Nanomaterial inactivates environmental virus and enhances plant immunity for controlling tobacco mosaic virus disease”的研究成果。该团队成功研发了一种多功能纳米香菇多糖制剂，可有效减少环境中的烟草花叶病毒（TMV）含量，并同时诱导植物的抗病毒免疫反应。

烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）是一种极具致病性和环境适应力的植物病毒，常见寄主植物超过350种，且在自然环境中可存活30-50年，稀释至百万倍后仍具感染能力。TMV感染后会导致叶片出现花叶、皱缩和坏死等症状，严重影响植物光合作用，进而导致产量大幅下降，造成巨大的经济损失。香菇多糖（Lentinan，LNT）是一种从香菇（Lentinula edodes）中提取的活性多糖，具有较好的抗病毒作用，能抑制病毒复制并增强植物免疫，但其活性有限。

研究人员利用星形多聚阳离子纳米载体（SPc）通过氢键自发组装LNT，形成纳米级LNT/SPc复合体（140 nm）。SPc能显著改善LNT在叶片表面的润湿性能，降低接触角并增加滞留量，使得LNT/SPc复合体具有更好的叶面附着性和植物吸收性能。研究发现SPc负载的荧光LNT可以更迅速地进入植物细胞，促进了LNT的细胞吸收。通过RNA-seq分析发现，LNT/SPc复合体可以显著上调多种与植物防御反应相关的基因表达，包括病原相关蛋白（PR）基因、与超敏反应（HR）和氧化应激相关的基因，表明LNT/SPc复合体能够有效激活植物的防御机制。此外，LNT/SPc复合体可增加植物体内的水杨酸（SA）含量，提升超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，进一步放大了植物的抗病毒反应。室内和田间试验均显示，LNT/SPc复合体对烟草花叶病毒（TMV）具有显著的预防和治疗效果，LNT/SPc复合体在施用后14天的田间防效高达81.9%。

图一：SPc负载增强LNT诱导的植物抗病毒反应

TMV颗粒与LNT带负电荷，而SPc和LNT/SPc复合体带正电荷。SPc还通过与TMV衣壳蛋白的电荷相互作用，使病毒颗粒聚集并失活。通过热力学分析发现，SPc通过静电相互作用与TMV颗粒结合，而LNT则主要通过氢键与病毒结合。Native-PAGE和dot-blot结果表明，SPc能与TMV衣壳蛋白有效结合，破坏TMV颗粒的完整性，导致病毒释放RNA，从而使病毒失去活性，低浓度SPc的钝化效果优于高浓度LNT。在1 mg/L的SPc或LNT/SPc复合体作用下，TMV颗粒明显聚集，并且在10 mg/L的浓度下几乎所有TMV颗粒完全失活。

图二：SPc对TMV病毒粒子的钝化机制

综上所述，本研究开发的LNT/SPc复合体能显著减少土壤中TMV颗粒的数量，诱导植物的抗病毒反应，充分展现出了纳米材料在病害防控领域的“控-促”作用，这一创新机制为长期防控TMV等病毒性病害提供了新思路。植物保护学院沈杰教授和闫硕教授为该论文共同通讯作者，博士研究生蒋沁宏和云南省烟草公司昆明市公司谢永辉博士为论文共同第一作者，团队张俊争副教授和北京化工大学尹梅贞教授也参与了该项工作。该研究得到了植物保护学院周涛教授和生物学院张静教授的支持，获得了中国烟草总公司云南省公司重大项目（2021530000241018）、国家自然科学基金（32372631，32072497）、拼多多-中国农业大学研究基金（PC2023B02018）等项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52851-z