近日，云南农业大学植物保护学院王莫课题组在国际著名碳材料期刊Carbon（IF=11.6）上发表题为“Phytic acid-polymerized carbon dots efficiently inhibit various plant pathogens growth and function as a protective agent for controlling crop diseases”的学术文章，系统揭示了植酸碳点纳米材料抑制植物病原真菌和细菌的作用机理及其在作物病害防控中应用潜力。
长期以来，农业生产中对于多种作物病害的防治主要依赖于化学杀菌剂。然而，化学农药的过度使用所带来的环境污染、化学残留和病原菌抗药性产生等严重问题引起社会的广泛关注。因此，研发低毒、高效、环境友好的新型抑菌制剂是作物病害防治的大势所趋。近年来，纳米材料（颗粒直径小于100纳米）在农业方面的应用发展迅速，其作为农药的载体可增强农药的溶解性以及农药对病原菌的吸附和渗透能力。目前新型纳米抑菌剂研发领域，已有较多关于纳米化重金属离子杀菌剂的报道，如纳米银、纳米铜等。然而，该类纳米材料的应用会造成重金属离子在农业生态中的过度积累。因此，利用生物源的无毒小分子物质为原料物质，创制具有高抑菌活性的碳点纳米材料，是开发安全、绿色病害防控制剂的一个新兴方向，符合我国农业可持续发展的需求。碳点（CDs）材料是分子间通过碳原子相互聚合形成的一类新型纳米颗粒，其直径一般小于10纳米，颗粒内部通常具有类似石墨烯的片层结构。通过不同化合物的聚合所得到的碳点材料往往具有特异的表面特性，因其改变了碳点的理化性质和光学特征，可实现其在药物递送和细胞靶标示踪中的应用。
植酸（PA），又称肌醇-1,2,3,4,5,6-六磷酸，是作物种子中磷的主要储存形式。植酸可螯合锌、亚铁、钙、镁等多种二价金属阳离子，为种子萌发提供所需的肌醇、磷和矿物阳离子等营养元素。此外，美国食品药品监督管理局把植酸列为安全的天然分子。因其具有抑制食物滋生病原细菌的活性，植酸在食品工业保鲜过程中被广泛应用。然而，目前初步研究结果表明，较高浓度的植酸（>1mg/mL）对于植物病原真菌才具有一定的抑制效果。将植酸开发成高活性的抑菌材料并应用于作物病害防控领域，对于新型纳米农药的研发具有重要指导意义。
为增强植酸的生物膜穿透性和追踪其作用靶点，王莫课题组联合苏州大学研究团队，利用电解方式创制植酸聚合的碳点纳米材料（PCDs）。PCDs颗粒直径主要分布在2~4纳米，内部具有典型的石墨烯片层结构。与同浓度的植酸溶液相比，150μg/mL的PCDs水溶液对于各种作物病原真菌生长的抑制率近乎达到100%。PCDs在488nm的激发光下可以发出绿色荧光，这一光学特性为解析其抑菌活性的作用靶标奠定基础。研究团队利用PCDs处理转化各亚细胞结构分子荧光标记的稻瘟菌株，结果发现PCDs特异靶标稻瘟菌的F-actin，并在体外对于聚合的actin filament具有极强的解聚作用。利用PCDs处理转化Lifeact-RFP（F-actin荧光标记）的稻瘟菌株后持续观察发现，在处理3小时后PCDs在稻瘟菌菌丝细胞中可以被观测到与F-actin共定位，同时稻瘟菌菌丝也开始出现细胞极性的缺陷；当处理到15小时后，菌丝细胞发生严重的去极性化，细胞膨胀成球状并发生破裂。上述研究结果表明，PCDs渗透进入病原真菌细胞内，通过靶标F-actin，使actin filament发生解聚，进而破坏细胞极性达到抑制植物病原真菌生长的效果。在真核细胞中，actin filament作为细胞骨架对真核细胞的形态起到支撑作用。在G-actin聚合过程中，二价金属离子，如Ca2+、Mg2+等,与actin蛋白结合对于维持聚合的actin filament稳定性具有重要作用。因此研究人员推测，PCDs的高金属离子螯合活性可与actin蛋白竞争夺取结合在F-actin上的Ca2+和Mg2+等阳离子，进而促使actin filament解聚，破坏真菌细胞极性生长。
研究团队进一步发现，75μg/mL的PCDs对于各种作物病原细菌生长的抑制率近乎达到100%，而同浓度的植酸溶液的抑制率仅为20%左右。通过扫描电镜观察发现，利用75μg/mL的PCDs处理水稻白叶枯菌24小时后，菌细胞膜出现异常褶皱；当处理到48小时后，白叶枯菌细胞表面产生外向延伸的凸起并伴随细胞膜破裂和菌细胞死亡。这些结果表明，对于植物病原细菌，PCDs通过干扰细胞膜的完整性进而发挥抑菌作用。有研究表明，结合在细菌外膜上的二价金属离子，如Mg2+,可以稳定细菌表面的脂多糖以维持其细胞膜的完整性。因此研究人员推测，PCDs在渗透进入细菌细胞过程中，对其表面金属离子的螯合作用破坏了细菌细胞膜的完整性，进而起到抑制细菌生长的作用。值得关注的是，PCDs具有较强的稳定性。当利用PCDs在接种前12小时喷施处理各类作物幼苗，可有效防控水稻稻瘟病、胡麻叶斑病、白叶枯病、小麦白粉病、番茄细菌性斑点病的发生。因此，该项工作所研发的植酸碳点材料通过干扰真菌细胞骨架actin filament的聚合以及破坏细菌细胞膜的完整性，表现出广谱的抑菌活性，并可以作为一种保护型制剂应用于各类作物真菌和细菌病害的防治。
云南农业大学访问学者（苏州大学基础医学与生物科学学院）黄健副教授、福建农林大学已毕业博士研究生曹莹莹和已毕业硕士研究生李文燕为该论文的共同第一作者；云南农业大学王莫教授、苏州大学康振辉教授和福建农林大学李亚副教授为该论文的共同通讯作者。云南农业大学植物保护学院在读硕士研究生袁青、周冰和在读本科生周莹参与相关研究工作。
