《J. Adv. Res.》中国农业大学--潘灿平/李佳奇老师团队:硒纳米引发强化茉莉酸信号、抑制病原菌酶、激活植物植保素,提升玉米对禾谷镰孢
近日，中国农业大学潘灿平老师与李佳奇老师团队在《Journal of Advanced Research 》发表名为"Unleashing antifungal power: Nanopriming with selenium boosts JA signaling, suppresses pathogen enzymes, and activates phytoalexins for enhanced Fusarium graminearum resistance in maize " 的期刊论文。该团队聚焦核心是用SeNPs 处理玉米种子，让玉米对禾谷镰孢菌（茎基腐病）产生更强抗性，同时大幅降低呕吐毒素（DON），并从生理、转录组、代谢组、分子对接完整揭示了作用机制。
发表日期：2026年03月15日
关键词：纳米引发；生物解毒；脱氧雪腐镰刀菌烯醇；植物免疫；植保素
禾谷镰孢菌（Fusarium graminearum）通过双重致病策略威胁全球玉米生产与粮食安全：它不仅引发破坏性极强的茎腐病和穗腐病，还会产生霉菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）污染籽粒。DON 污染在全球范围内十分普遍，约 59% 的谷物中均可检出，在以玉米为原料的饲料中检出率更高，达到 72%–79%，会造成严重的作物减产与健康风险。当前防控手段高度依赖化学杀菌剂，但其效果因抗药性产生、环境持久性以及可能刺激霉菌毒素合成等问题而持续下降。因此，开发可持续、高效的替代防控策略迫在眉睫。植物在与病原菌的长期互作中进化出精密的免疫系统，涉及生长与防御资源分配的权衡。当植物识别病原菌后，会激活模式触发免疫等防御反应。然而，禾谷镰孢菌通过 “效应子–毒素–酶” 协同策略破坏宿主防御：分泌效应子干扰水杨酸（SA）/ 茉莉酸（JA）信号通路，产生 DON 抑制蛋白质合成并诱发氧化应激，同时分泌细胞壁水解酶突破植物结构屏障。这种多维度攻击表明，亟需创新策略在不影响植物正常生长的前提下，提升其内在防御能力。绿色可持续的防控途径包括改善土壤健康、增加有益菌丰度与微生物多样性以阻止土传真菌早期侵染，或利用纳米材料激活并强化植物健康。纳米引发（Nano‑priming）已成为一种极具潜力的植物免疫激活策略。它通过调控植物激素网络重新平衡生长–防御分配，促进抗菌与抗氧化次生代谢物合成。与仅提供短期保护的化学种衣剂不同，纳米引发可建立持久、系统性的防御启动状态，以可持续方式强化植物先天免疫。其中，硒纳米颗粒（SeNP）引发已被证实可有效提升作物对多种胁迫的抗性。但目前仍存在关键科学空白：SeNP 引发如何同时抑制玉米中禾谷镰孢菌侵染与 DON 污染的系统调控机制尚不明确。该研究探究 SeNP 引发增强玉米抗禾谷镰孢菌的分子机制。我们提出假设：SeNP 引发可系统性重编程玉米的转录与代谢，构建强化的防御状态，增强抗氧化 / 解毒系统并激活抗菌植保素合成，从而同时限制病菌侵染与霉菌毒素积累。本研究整合生理生化测定、广泛靶向代谢组、转录组与分子对接技术。本研究结果为硒纳米引发介导的抗病机制提供理论依据，并为开发基于纳米技术的镰孢菌绿色综合防控策略提供支撑。2.1 SeNPs 对玉米生长、DON 毒素积累及相关致病基因表达的影响图1系统展示了硒纳米颗粒（SeNPs）引发对玉米生长、DON 毒素积累及相关致病基因表达的影响，结果表明，在禾谷镰孢菌侵染条件下，SeNPs 处理组（FgSe50）较对照组（FgCK）玉米生物量、茎鲜重与株高均显著提升，DON 毒素含量显著降低 42.2%，DON 合成关键基因 TRI1 和 TRI5 的表达量分别下调 35.1% 和 19.9%，同时病原菌相关的 β- 葡萄糖苷酶活性显著下降，从表型、毒素水平与分子层面共同证实 SeNPs 引发可有效缓解玉米茎基腐病症状、抑制病菌产毒与侵染能力。图1：SeNPs 对玉米生长、DON 毒素积累及相关致病基因表达的影响2.2 SeNPs 引发对玉米抗氧化系统的调控作用图2揭示了SeNPs 引发对玉米抗氧化系统的调控作用，结果显示 SeNPs 处理显著提高玉米总抗氧化能力（T-AOC），并激活 AsA–GSH 解毒循环，使 AsA、GSH、GSH-Px、GST 水平显著上升，同时适度下调 SOD 活性、增强 POD 活性，有效清除活性氧、降低膜脂过氧化，使 MDA 含量下降 18%，从抗氧化层面证实 SeNPs 可缓解禾谷镰孢菌与 DON 造成的氧化损伤。图3为转录组与广泛靶向代谢组联合分析结果，PCA 与 KEGG 富集表明 SeNPs 引发显著改变玉米基因与代谢物表达，在病菌侵染后，差异通路集中于植物激素信号转导、苯丙烷代谢、苯并噁嗪合成及谷胱甘肽代谢，证明 SeNPs 通过多通路协同重编程，构建 “解毒 + 抗菌” 双重防御体系。2.4 SeNPs 对玉米激素水平及 JA 信号通路的调控图4聚焦SeNPs 对玉米激素水平及 JA 信号通路的调控，数据显示 SeNPs 引发在病菌侵染后显著提升茉莉酸（JA）含量，对水杨酸（SA）无明显影响，并上调 AOS、AOC 等 JA 合成关键基因、下调负调控因子 JAZ，明确 JA 信号是 SeNPs 增强玉米抗病性的核心激素通路。图4：SeNPs 对玉米激素水平及 JA 信号通路的调控2.5 SeNPs 引发对苯丙烷途径植保素的调控机制图5解析了SeNPs 引发对苯丙烷途径植保素的调控机制，结果显示处理组总酚酸含量显著升高、黄酮类物质适度下降，其中绿原酸含量大幅提升 402%，结合转录组数据证实 SeNPs 通过激活 JA 信号，正向调控苯丙烷通路，促进酚酸类抗菌植保素大量积累以抵御病菌侵染。图5：SeNPs 引发对苯丙烷途径植保素的调控机制2.6 SeNPs 对玉米苯并噁嗪类植保素的调控与分子对接验证图6阐明SeNPs 对玉米苯并噁嗪类植保素的调控与分子对接验证，SeNPs 引发促进色氨酸等前体转化为糖苷型苯并噁嗪（如 DIBOA-glucoside），分子对接显示其与病菌毒力蛋白结合能力更强，侵染后可被快速水解为活性形式，形成 “预储存 — 速激活” 高效防御模式。图6：SeNPs 对玉米苯并噁嗪类植保素的调控与分子对接验证图7揭示SeNPs 引发对中心碳代谢与毒素合成的重编程机制，SeNPs 处理使 TCA 循环中间产物显著下调，减少镰刀菌酸等毒力因子合成，同时将乙酰 - CoA 从 DON 合成支路转向苯丙烷植保素合成，实现 “抑毒素、促防御” 的代谢分流。2.8 SeNPs 诱导玉米抗禾谷镰孢菌的整体工作模型图8为SeNPs 诱导玉米抗禾谷镰孢菌的整体工作模型，系统展示 SeNPs 通过激活 AsA–GSH 抗氧化解毒系统、强化 JA 信号通路、促进酚酸与苯并噁嗪植保素合成、重编程碳代谢抑制病菌产毒，多层次协同提升玉米抗病性、降低 DON 累积。图8：SeNPs 诱导玉米抗禾谷镰孢菌的整体工作模型该研究通过硒纳米颗粒（SeNPs）种子引发处理玉米，系统阐明了其增强玉米抗禾谷镰孢菌、降低呕吐毒素（DON）积累的分子与生理机制。SeNPs 引发显著提升了玉米植株的生物量与长势，使 DON 含量降低 42.2%，并下调 TRI1、TRI5 产毒基因、抑制病原菌 β- 葡萄糖苷酶活性；同时通过激活AsA–GSH 抗氧化解毒循环、优化 SOD/POD 酶活平衡，有效缓解病原菌与毒素造成的氧化应激损伤；转录组与代谢组联合证实，SeNPs 可强烈激活茉莉酸 JA 信号通路，并促进酚酸类、苯并噁嗪类植保素的合成与糖苷化储存，在病菌侵染后快速释放发挥抗菌作用；此外，SeNPs 还能重编程中心碳代谢，将乙酰 - CoA 从毒素合成转向植保素合成，实现 “抑毒、促防、增抗” 的协同效果。整体表明，SeNPs 纳米引发是一种高效、绿色、可持续的作物抗病新策略，可为玉米镰孢菌茎腐病防控与减毒增效提供重要理论与技术支撑。文章题目：Unleashing antifungal power: Nanopriming with selenium boosts JA signaling, suppresses pathogen enzymes, and activates phytoalexins for enhanced Fusarium graminearum resistance in maize.
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