植物病毒，又称为“植物癌症”，可感染多种植物，对农作物的生长发育和产量造成严重威胁。目前尚无特效药剂防控。多糖类诱抗剂具有诱导植物抗病毒的能力。但植物免疫不具有记忆性，需要反复施药诱抗，用工成本高。基于此孙现超教授团队一直致力于开发智能缓释，持续诱抗的载药材料。香菇多糖是从香菇中提取的一类多糖化合物，具有多种生物活性，包括抗氧化、抗肿瘤、免疫调节等功能。近些年发现，香菇多糖能有效激发植物产生抗病抗性，提升植物自我防御机制。但香菇多糖在复杂的农业环境中稳定性差且药效期短限制了其在农业生产中的进一步应用。针对上述问题，孙现超教授团队先前基于海藻酸钠与钙离子的离子交联作用，构建了一种缓释水凝胶，用于控制香菇多糖的释放。随后，通过静电反应，在海藻酸钠凝胶球表面形成氨基寡糖涂层，以延长香菇多糖的释放时间。这种水凝胶可以直接应用于植物根部，在雨水冲刷、浇水、施肥等农事活动中持续释放香菇多糖，实现长效抗病毒。同时，研究发现竞争作用下，氨基寡糖涂层可取代海藻酸钠结合的钙离子，导致钙离子的释放，从而与香菇多糖一起缓释促进植物生长，进一步提升植物抗病毒能力。该成果以题为“Dual-Action Pesticide Carrier That Continuously Induces Plant Resistance, Enhances Plant Anti-Tobacco Mosaic Virus Activity, and Promotes Plant Growth”发表在农业科学TOP期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry。该策略显著降低了抗病毒药剂的使用频率与剂量，同时根部施药特性也很大程度上降低了农业生产成本。然而，该水凝胶的作用机制与增效机制尚未进行系统研究。
为延续上述工作并积极推广长效抗病毒水凝胶的应用。孙现超教授团队就长效抗病毒水凝胶的抗病毒与增效机制进行了细致研究。近日，相关成果在植物科学TOP期刊Plant, Cell & Environment（IF=7.3，一区Top）在线发表了题为A chitosan‐coated lentinan‐loaded calcium alginate hydrogel induces broad‐spectrum resistance to plant viruses by activating Nicotiana benthamiana calmodulin‐like (CML) protein 3的研究论文。论文利用壳聚糖涂层替代了氨基寡糖涂层对凝胶性能进行了优化，并揭示了该水凝胶缓释香菇多糖激发植物免疫的同时，还释放的钙离子诱导CML3表达激发植物广谱抗病毒抗性的重要机制。
本研究中，基于壳聚糖与海藻酸钠凝胶球的强静电相互作用在海藻酸钠凝胶球表面形成了一层致密的壳聚糖涂层，进而构建出具有壳核结构的缓释水凝胶（CSL-gel）。CSL-gel克服了海藻酸钠水凝胶爆释的缺陷，能够在水中持续释放 香菇多糖与钙离子14天以上，并显著增强植物抗TMV能力与促进植物生长发育。转录组学分析发现，CSL-gel处理后本氏烟（Nicotiana benthamiana）CML3（NbCML3）相关基因存在差异表达，后续验证实验证实了CSL-gel处理可显著上调NbCML3表达。深入分析发现，CML3沉默处理可降低本氏烟对TMV的抗性。相反，CML3过表达可显著增强本氏烟的抗病毒能力。最终，将CSL-gel应用根部可显著抑制TMV、TRV、PVX 和 TuMV 侵染本氏烟。相关结果充分证实了CSL-gel可通过诱导CML3表达这一新机制进而激发植物广谱抗病毒抗性。该研究再一次论证了长效缓释水凝胶在植物抗病毒工作中的应用潜力。
凝胶诱发广谱抗病毒的模式示意图
植物保护学院已毕业硕士研究生向顺雨与王靖为该论文共同第一作者，孙现超教授与河北农业大学华北作物改良与调控国家重点实验室马利松教授为通讯作者。同时，日内瓦大学彭浩然博士也参与了本工作。本研究得到国家自然科学基金项目（31870147）、中国烟草总公司重庆市公司科技计划项目（A20201NY02‐1306, B20211‐NY1315 and B20202NY1338）的资助。特别感谢张宏江先生在机理图作图上的帮助，感谢河北农业大学孙希哲博士在进化树上的指导。孙现超教授课题组近年来围绕植物免疫与免疫调控研究，在金属氧化物纳米颗粒及纳米凝胶载药材料抑菌诱抗控病及其机制方面取得了系列进展，研究成果5年内先后在Journal of Hazardous Materials、The Plant Journal、Molecular Plant Pathology、Journal of Agricultural and Food Chemistry和Pest Management Science等一区TOP期刊发表20余篇研究论文。
