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利用等离子体产生「活性氮」，特异性激活植物免疫抵御真菌病毒

花匠小妙招
2024-11-24 16:30

发展能够最大限度地减少环境影响的农业系统是一项重大挑战。在化学农药仍然占据主力的今天，病虫害综合治理（IPM）的概念有效地结合各种防治策略，已被广泛接受，包括利用天敌、生物农药、昆虫不育等手段。

“目前，化学农药是农业疾病控制的支柱，但它们会污染土壤并损害生态系统。”日本东北大学农业科学研究生院副教授 Sugihiro Ando 说，“我们需要开发植物病害控制技术，以帮助建立可持续的农业系统。利用植物免疫力是最有效的疾病控制方法之一，因为它利用了植物的先天抗性，对环境的影响很小。”

植物一直受到病原体攻击的威胁，并利用防御机制来保护自己。但是，由于防御响应对于植物来说成本高昂，并不总是被激活，而是需通过“免疫启动”才能开启。这个机制能让植物“记住”来自病原体的攻击，并在感染风险高时有效地激活防御反应。

近日，Sugihiro Ando 的研究组利用一种“气体”激活了植物对疾病的免疫力。该研究成果以“Activation of plant immunity by exposure to dinitrogen pentoxide gas generated from air using plasma technology”为题发表于 PLOS ONE 期刊。

这是一种怎样神奇的气体呢？要从看似与植物疾病相去甚远的“等离子体”开始说起。

等离子体（Plasma），是继固体、液体和气体之后的第四种物质状态，可以被认为是“电离气体”，是一种高能状态，例如我们在自然界中可以看到的闪电或极光。其特征在于带电的高能粒子，可以形成自由基等高反应态。

（来源：Pixabay）

大气压空气等离子体可以在大气压下由低功率（<100 W）的空气产生，这些电力可由可再生能源提供。由于制造大气压空气等离子体所需的能源少，以及这种等离子体能够产生具有生物活性的活性氧（ROS）和活性氮（RNS），大气压空气等离子体正在作为医学和农业领域潜在的可持续技术而受到关注。

大气压空气等离子体产生的典型反应产物包括作为 ROS 的臭氧（O3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和作为 RNS 的五氧化二氮（N2O5）。而 ROS 和 RNS 是植物免疫反应中的重要信号传导因子。当植物感知到来自病原体的感染性刺激时，就会产生 ROS 和 RNS 开启防御反应。

“众所周知，一些活性物质与植物激素，如水杨酸，茉莉酸和乙烯，是植物免疫反应中的重要信号传导因子，但人们对五氧化二氮的特定生理功能知之甚少。”Ando 说，“由于已知活性物质在植物免疫中具有重要功能，我们分析了植物暴露于五氧化二氮后其抗病性的变化。”

五氧化二氮合成和储存的困难阻碍了学者对其影响植物生理功能的探索。在这项研究中，研究人员使用该实验室在先前工作中开发的大气压等离子体装置制备了五氧化二氮，该设备具有专为植物暴露实验设计的电气控制装置。

（来源：[2]）

研究人员将通常用作植物研究模型的拟南芥暴露于五氧化二氮气体中，每天20秒，持续三天。然后，将三种不同类型的常见植物病原体分别接种到拟南芥，分别是灰霉病菌 Botrytis cinerea（真菌）、假单胞菌 Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000（细菌）、黄瓜花叶病毒 Cucumber mosaic virus strain yellow（病毒）。

结果显示，被感染真菌或病毒的植物表现出对病原体的抑制，而被细菌感染的植物与对照相似。

“这些结果表明，可以利用五氧化二氮气体，针对不同病原体的类型控制植物病害”Ando 说。

遗传分析显示，五氧化二氮特异性地激活了茉莉酸和乙烯信号通路，似乎导致抗菌分子的合成。

这项研究证明五氧化二氮作为植物病害控制的新技术，具有发展潜力。另外，五氧化二氮与水反应转化为硝酸，而硝酸可以被植物用作氮营养的来源。因此，五氧化二氮几乎不存在环境污染的风险。且生产五氧化二氮的耗能较低，是一种低成本和环保的技术，可有助于建立可持续的农业系统。

接下来，研究人员计划在温室栽培中研究这项技术的实际应用，也将在田间条件下进行验证。