近日，中心张欢课题组在Plant Biotechnology Journal 杂志上在线发表了题为“Sunlight-sensitive carbon dots for plant immunity priming and pathogen defence”的研究论文。该研究工作设计合成了一种光敏性可降解的碳点 (Carbon Dots, CDs)，该CDs在增强植物抗病性的同时不会影响植物的产量，还可充当广谱的抗真菌剂。

极端天气与病原菌威胁全球粮食安全，传统防治手段因抗药性及污染受限。碳点（CDs）作为低成本、可降解的零维碳基材料，兼具光敏特性与高生物相容性，能增强植物光合作用、抗逆性及免疫应答。本研究通过水热法开发光敏CDs，发现其浓度依赖性双模功能：低浓度激活植物免疫基因，高浓度光催化直接杀菌。该策略突破传统纳米材料环境累积风险，为开发智能绿色农药提供新思路。

主要研究结果如下：

1. CDs的合成和理化性质表征

作者使用邻苯二胺和胱氨酸通过一步水热反应制备了2-5 nm的正电性CDs。傅里叶变换红外光谱和紫外可见吸收（UV-vis）光谱表明CDs富含N-H C-C、C=O/C=N、C=C和CO-NH等富电子官能团。在365 nm波长的光照下，CDs 的UV-vis光谱在~452 nm处出现了新的吸收峰，且随着光照时间的延长，该吸收峰的强度逐渐增强，同时位于228 nm 处的C=C的吸收峰逐渐减弱（图1f）。电子自旋共振波谱（图1g）证明该CDs在太阳光照下（氙模拟太阳光全光谱）可同时产生1O2、O2˙−和 ˙OH三种ROS（图1g）。CDs表面的富电子基团和共轭结构赋予CDs光生ROS的性质，同时，CDs产生的ROS能氧化自身含氮和含硫基团，导致新的吸收峰的出现。此外，当CDs暴露于户外90 d后，其FTIR和UV-vis特征峰逐渐变弱甚至消失，表明了CDs的可降解性和环境兼容性。

图1， CDs合成和表征。

2. CDs激活植物的免疫反应

基于ROS的双重生物学功能以及CDs可在太阳光照下产生ROS的特性，作者推测可以利用CDs产生的ROS来触发植物自身的防御反应。作者首先使用CDs喷施处理（浓度为240 mg/L）烟草和番茄植株的叶片，并在处理后4~8 h内观察到了ROS的爆发。另外，CDs处理还增强了植物抗氧化酶活性，表明CDs处理扰乱了植物自身的氧化还原稳态。使用灰葡萄孢菌侵染CDs预处理的番茄和烟草植株发现，CDs预处理可以显著降低烟草（33%）和番茄（12%）灰霉病的发病率。同时，使用辣椒疫霉孢子侵染CDs预处理的番茄叶片后，发病率降低了31%。ROS信号被认为是介导PTI和ETI下游免疫反应的重要次级信使，作者猜测CDs在原位产生的ROS通过损害植物表皮蜡质层和细胞壁，触发植物内部的系列免疫响应，如ROS爆发和抗氧化酶活性变化等。

图 2， CDs诱导ROS爆发，增强烟草和番茄植株对灰霉病的抗性。

为探究CDs诱导植物防御反应的机制，作者使用240 mg/L的CDs喷施处理了番茄叶片，并对处理后12 h和24 h的叶片进行了转录组分析。GO富集结果表明，CDs处理组的DEGs显著富集在细胞内源性刺激以及氧化还原等途径，表明CDs处理作为外部刺激激活了植物的抗氧化防御反应。对DEGs 进行KEGG富集分析后发现，处理12 h后的DEGs主要富集含硫氨基酸代谢，类黄酮、甾醇和谷胱甘肽等抗氧化相关物质的生物合成以及植物激素信号转导等通路。处理24 h 后的DEGs显著富集在光合作用天线蛋白、植物激素信号、MAPK信号级联，类固醇、苯丙氨酸、苯丙烷和蜡质等的生物合成过程。钙离子内流、ROS爆发、MAPK级联和防御激素响应等被认为是植物防御反应的第一道防线，这些信号可以介导下游，包括细胞壁增强、抗毒素生物合成等反应。而角质、蜡质和木质素是植物的主要屏障，可以保护植物细胞壁免受病原菌的水解，增强植物的抗病性。作者注意到在苯丙烷生物合成途径中，多个参与木质素合成的关键酶基因被显著调节。研究表明，POD在ROS的参与下介导木质素的生物合成。因此，综合CDs处理之后叶片中ROS的爆发和氧化还原稳态的变化等的结果，作者猜测本研究中POD和SOD活性提高以及ROS的生成可能与植物细胞壁增强有关。综上，作者认为CDs在叶片表面原位产生的ROS造成了植物叶片表面蜡质、细胞壁等的氧化损伤，破坏了细胞壁的完整性，从而诱导了包括木质素、角质和蜡质的合成、ROS爆发以及抗毒素的合成等系列免疫响应，增强了植物的抗病性。

鉴于持续ROS会导致氧化损伤毒性，影响植物生长和发育，作者进一步评估了CDs处理对植物光合作用和产量的影响。结果表明，CDs处理（即使高浓度处理）不会影响植物的正常生长和产量。

图 3， CDs处理对番茄叶片转录水平的影响。

3. 光敏性CDs的广谱抗真菌活性

作者还研究了CDs在持续阳光照射（氙灯模拟，9.4×10⁴ lux）下的抗真菌能力，探索CDs在田间病原微生物防治中的效果。结果表明，不同浓度CDs处理对B. cinerea菌丝生长的影响程度不同， 480 mg/L浓度CDs 处理下， 可以造成疫霉（P. capsici）、核盘菌（S. sclerotiorum）和灰葡萄孢菌（B. cinerea）的菌丝生长均被显著抑制，抑制率分别为66.5%，88.3%和100%，单独的光照处理和黑暗+CDs处理对菌丝生长没有影响，表明CDs具有独特的光诱导抗菌活性。作者还利用透射电镜和扫描电镜研究了CDs处理对灰葡萄孢菌菌丝和孢子形貌结构的影响，发现CDs处理后菌丝和孢子细胞壁结构严重破损，而对照组菌丝和孢子的结构完整，表面光滑。结合CDs处理对菌丝和孢子转录水平的影响，作者认为CDs在连续光照下产生的ROS不仅造成了病原菌细胞壁细胞膜等结构的损伤，还造成了细胞核内核酸的氧化损伤，最终导致孢子和菌丝的失活，降低了其侵染活力及传染能力。

图 4，CDs的抑菌活性。

结论

在这项研究中，作者开发了能够产生ROS、对太阳光敏感、可降解的CDs。该CDs可以作为植物免疫引发剂的同时还可作为广谱的抗真菌剂。在自然生长条件下,低浓度（240 mg/L）CDs产生适量的ROS，诱导细胞壁损伤介导的系列免疫反应，如ROS爆发、MAPK级联、植保素和木质素的积累，增强植物抗病性。持续光照下，高浓度（≥480 mg/L）CDs原位产生ROS可以造成疫霉（P. capsici）、核盘菌（S. sclerotiorum）和灰葡萄孢菌（B. cinerea）的结构损伤，使病原菌菌丝和孢子失活，可以预防植物疾病的发生和传播。CDs的免疫刺激和杀菌的双重功能为可持续植物保护提供了创新策略。此外，CD的可降解性和低毒性使其有望成为化学杀虫剂和杀菌剂的独特和安全的替代品。

上海交通大学农业与生物学院博士后寇尔丰博士为论文第一作者，张欢副教授（https://www.agri.sjtu.edu.cn/Data/View/6442）为该研究工作的通讯作者。感谢加州大学伯克利分校Markita Landry教授对该工作提供的宝贵意见。该研究工作得到了国家自然科学基金、博士后面上项目、国家资助博士后人员计划、上海市浦江人才计划等项目的资助。

上海交通大学张欢课题组因科研工作需要，现招聘2-3名博士后，研究方向包括但不限于：植物高效靶向递送体系构建、基因编辑在植物中的应用、RNA农药开发、植物成像等纳米技术与植物学交叉研究。有意者请发送个人简历至zhang_huan@sjtu.edu.cn。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70050

近日，中心包岩课题组联合美国密歇根州立大学Dean DellaPenna教授团队，在The Plant Cell 杂志发表了题为“A family of α/β hydrolases removes phytol from chlorophyll metabolites for tocopherol biosynthesis in Arabidopsis”的研究论文，揭示了一类α/β水解酶协同调控拟南芥生育酚代谢稳态的分子机制。

生育酚（tocopherol）又称为维生素E（Vitamin E），是光合生物体产生的一类脂溶性抗氧化物，对人类健康，对维持种子寿命和提高植物对高温、高光强等非生物胁迫的应对能力起到重要调节作用。近三十多年的研究表明，叶绿素水解产生的植醇基团（phytol）是贡献于生育酚合成的最重要来源，但是参与该代谢途径的相关水解酶尚未被详细解析，是领域内亟待解决的一个重要科学问题。

图1. 叶绿素与生育酚代谢调控关系途径总览。

α/β水解酶是植物中最大也是最重要的一类水解酶，在模式植物拟南芥中就有超过600个成员，参与了包括各种化合物代谢如激素合成等多个途径。高度的基因冗余性和底物特异性阻碍了对其分子机制和生理生化功能的解析。结合进化生物学、遗传学、分子与细胞生物学及相关生理生化等手段，课题组成功锁定了两个新的α/β水解酶并命名为CLD2和CLD3，发现其与PPH、CLD1和VTE7一起通过水解叶绿素及其中间代谢物，并控制这些基因在不同组织和不同环境条件下的差异化表达，协同调控了叶绿体中生育酚的代谢稳态。该发现拓展并加深了我们对以叶绿素为代谢前体的生育酚合成途径的理解，是课题组围绕“细胞器稳态与植物环境可塑性”研究中取得的阶段性成果，对全面揭示叶绿素的完整代谢途径及生育酚等合成过程起到了重要推动作用，为改善农作物营养价值和提高植物环境适应能力提供了重要理论支撑。

图2. vte7 cld123pph 五突变体中叶绿素与生育酚含量的遗传关系分析。

上海交通大学农业与生物学院为该论文第一署名单位；学院植科系长聘教轨副教授包岩为该论文第一作者兼通讯作者；美国科学院院士、密歇根州立大学荣休教授Dean DellaPenna为该论文共同通讯作者；2022级博士研究生牛越参与了该项研究工作。本项目得到了上海市现代种业协同创新中心、上海市科委和农委等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf021

　　北京时间2025年1月30日凌晨，中心林尤舜研究课题组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队合作在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上发表题为 “Fine-tuning gibberellin improves rice alkali-thermal tolerance and yield”的研究论文。该成果创新性地提出了一个新概念，即精准调控赤霉素到最佳中等水平是同时提高水稻碱-热胁迫耐受性和产量的关键；并发现一个有望成为潜在的“后绿色革命”基因ATT2，它可以微调赤霉素到最佳中等水平，从而进一步同时提高半矮秆绿色革命水稻品种的碱-热耐受性和产量。这些新发现为应对全球气候变化引发的粮食安全问题提供了新的策略，对于盐碱地的开发利用和未来农业的可持续发展具有重要的意义。

　　追溯到20世纪60年代，通过绿色革命基因(Sd1—Semi-dwarf1、Rht1— Reduced height-1)对谷类作物赤霉素浓度或信号的调控，从而实现水稻和小麦的半矮化育种，增强抗倒伏性。在大量施用化肥的条件下，大幅提高谷物产量，引发了农业“绿色革命”。半矮秆绿色革命品种在过去几十年里在全球广泛种植，在一定程度上确保了粮食安全，然而他们的环境适应性相对较低。由于温室气体排放，导致全球气候变暖、加剧耕地盐碱化，降低了作物的产量。因此，迫切需要挖掘作物中耐盐碱、耐热基因，解析其分子机制，在现有的半矮秆绿色革命作物品种中进一步改良它们的抗逆性和产量，以满足未来人口不断增长对粮食更大的需求，这对于保障我国粮食安全具有重要的意义。现在，研究团队成功分离克隆了水稻碱-热抗性新基因ATT1/2 (ALKALI-THEROMAL TOLERANCE 1/2)，阐明了它们调控耐盐碱、耐热性的新机制，并且为突破半矮秆绿色革命主栽品种的抗逆性与产量互相拮抗的瓶颈问题提出了新的解决方案。这也是该合作研究团队继成功挖掘出耐热TT3分子遗传模块（Science，2022年）之后，在作物抵抗非生物胁迫研究领域取得的又一项重大进展。

　　该研究通过对3万多株水稻遗传材料进行大规模交换个体筛选和耐碱、耐热表型鉴定，最终定位克隆到两个耐碱-热的QTLs基因ATT1和ATT2。ATT1/Sd1和ATT2/GNP1作为一对同源基因，编码GA20氧化酶，参与控制活性赤霉素合成；进一步的分子机理研究表明，高浓度活性赤霉素会减少SLR1（DELLA）蛋白积累，降低过氧化物酶活性和活性氧清除酶基因表达量，在碱、热胁迫下，引起活性氧（ROS）的过量积累，使水稻表现出对碱-热胁迫敏感的表型；低浓度活性赤霉素会增加SLR1蛋白积累，并与NGR5互作，通过NGR5-LC2介导的组蛋白甲基化（H3K27me3），抑制耐盐碱胁迫（OsNAAT1等）和耐热胁迫基因（OsHsfA2d等）的表达，水稻同样也会表现出对碱-热胁迫敏感的表型。然而，在中等浓度活性赤霉素水平下，SLR1蛋白处于中等含量，平衡ROS与H3K27me3甲基化水平，使得水稻表现出强碱-热胁迫抗性。值得注意的是，研究团队发现ATT2的功能比ATT1弱，因此更适合通过生物工程的方法来实现对赤霉素的精准调控，进一步提高半矮秆绿色革命水稻品种的抗逆性和产量，因此ATT2有望成为一个潜在的“后绿色革命”基因。

图1. 精准调控赤霉素显著增加水稻正常条件、碱胁迫和高温胁迫下的水稻产量

　　在正常大田环境下，维持体内中等浓度活性赤霉素，相比于高浓度和低浓度活性赤霉素，水稻表现出较高的产量，小区产量分别增加29.8%、15.4%；在半矮秆绿色革命水稻品种中，提高ATT2的表达量，可以适量增加活性赤霉素含量，与对照品种相比，水稻表现出小区产量增加18.8%-20.3%。在碱性土壤种植条件下，在半矮秆绿色革命水稻品种中提高ATT2的表达量，会明显增加水稻在碱胁迫下的产量，与对照品种相比，小区产量增加77.9%-100.9%；由于碱胁迫抑制活性赤霉素合成，使高秆水稻材料的活性赤霉素含量由高浓度转变成中等浓度，也表现出增加小区产量；通过对在碱胁迫下的半矮秆绿色革命水稻品种体外施加适量的赤霉素，能够弥补碱胁迫带来的产量损失。在田间高温环境下，相比于高浓度和低浓度活性赤霉素的水稻株系，中等浓度活性赤霉素的水稻株系会表现出显著提高小区产量，分别增产84.7%、23.6%。

图2. 精确调控赤霉素水平同时提高籽粒产量和抗逆性的模型

　　综上所述，该研究发现了两个水稻耐碱-热QTLs基因——ATT1和ATT2，它们控制赤霉素（GA）合成，调控SLR1蛋白丰度来调节ROS和H3K27me3水平，以响应碱-热胁迫；该研究还发现通过精准调控水稻品种的活性赤霉素至中等水平，可以最大程度地减少环境胁迫对产量造成的损失。在此基础上提出了两种微调赤霉素到中等水平的方法：1) 通过对可能的“后绿色革命”基因ATT2的遗传工程改良来提高ATT2的表达量或增强ATT2的功能；2) 外源施加适量的植物生长调节剂（赤霉素 “920”）。这些方法有望在水稻、小麦、玉米等主粮作物的育种改良中发挥重要作用，不仅能提高作物的抗逆性，维持其在盐碱、高温等不利环境下的产量稳定，还可以在正常田间条件下进一步提高谷物产量。这些研究结果为育种家培育“高产高抗”作物新品种提供重要的理论依据，同时也为大面积盐碱地的开发利用提供新的策略。

图3. 在上海松江农场，pH值达9的高碱性土壤中种植的水稻生长情况，含中等浓度活性赤霉素的水稻株系其耐碱性较强（右边）

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心已毕业博士研究生郭双琴（上海交通大学博士后）和博士研究生陈亚鑫为本文第一作者，林鸿宣研究员和上海交通大学林尤舜副教授为本文通讯作者。该中心的单军祥正高级工程师、叶汪薇高级实验师和董乃乾副研究员等参与了该项研究工作。该工作得到了农业生物育种国家科技重大专项、国家基金委基础科学中心项目、国家重点研发项目、上海交通大学“2030”项目、上海市现代种业协同创新中心、岭南现代农业广东省实验室等的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08486-7

 　　番茄是一种重要的设施蔬菜，设施番茄生产中的弱光问题影响番茄的产量和果实品质。研究表明紫外光UV-B信号通路能够有效的抑制番茄的弱光徒长问题，改善番茄果实代谢，增强番茄果实着色。然而紫外光UV-B信号转导调控番茄发育和代谢的机理有待深入研究。近日，中心尹若贺课题组与合作者在The Plant Journal杂志发表了题为SlSPA3 regulates the nuclear abundance of SlUVR8 in tomato的研究论文，揭示了番茄SPA3蛋白在响应紫外光UV-B信号调控番茄光形态建成中的作用机理。

　　紫外光UV-B (280-315nm) 可以诱导紫外光受体UVR8由二体解离成单体并转运到细胞核中， UVR8在细胞核中积累，调控下游基因表达，从而调控植物的生长以及代谢物积累等生理表型。之前的研究报道显示拟南芥中SPA家族成员可能调节拟南芥的UV-B信号传导，然而，其潜在机制尚不完全清楚。本研究发现了番茄基因组中包含四个潜在的SlSPA基因 (SlSPA1/2/3/4)。基因组编辑的Slspa3突变体在白光下表现出增强的光形态形成反应，表明SlSPA3是光形态建成的负调控因子（图1）。

图1. 白光下，Slspa3 突变体较野生型番茄有更强的光形态建成表型. (A) Hypocotyl length of tomato seedings of Slspa3 mutant lines grown in white light for 4 days. Values are means ± SD (n ≥ 9). (B) Anthocyanin levels in Slspa3 mutants. Seedlings were grown in white light for 2 days or 4 days. Values are means ± SD from three biological replicates (n = 3). Different letters in Figure A and B indicate significant differences between means; Significant differences were determined by one-way ANOVA with Tukey's HSD test (P < 0.05).

　　除此之外，在Slspa3突变体中，UVR8介导的UV-B应答基因表达以及花青素含量较野生型明显下降，表明SlSPA3促进UV-B光形态建成。此外， 由于SlSPA3和SlCOP1直接互作，且拟南芥的COP1调控UVR8的核积累，本研究探测了SlSPA3是否调控SlUVR8的核积累，实验结果表明在番茄Slspa3单突变体内UV-B诱导下的SlUVR8在细胞核内积累水平较野生型减少，表明SlSPA3通过增强光受体SlUVR8在细胞核内积累，促进紫外光UV-B的光信号转导（图2）。在拟南芥spa1 spa2 spa4三突变体中，UVR8的核积累也明显减少，表明这两个物种之间存在着保守机制。但是，spa1 spa2 spa4三突变体中UV-B依赖的UVR8与COP1之间的相互作用却未发生变化，这表明已知的COP1介导的UVR8的核滞留机制并未被SPAs影响。因此，我们的工作揭示了一种潜在的未被认识的机制，即SPA蛋白通过促进陆地植物UVR8核积累来调节UVB的响应机理。

Figure 2. SPA 提高UV-B-介导的光受体UVR8蛋白在细胞核内积累. (A) UV-B-induced SlUVR8 nuclear accumulation is reduced in tomato Slspa3. 7-DAG white light grown tomato seedlings were either maintained under white light (-) or transferred to white light supplemented with UV-B for 24 h (+). Histone H3 and UGPase served as nuclear and cytosolic controls, respectively. (B) Relative quantification of nuclear and cytosolic SlUVR8 levels. The band intensity of nuclear and cytosolic SlUVR8 was normalized against that of H3 and UGPase, respectively. Both nuclear and cytosolic SlUVR8 levels in WT grown under UV-B were set to 1. Quantification of band intensity was based on three independent experiments. (C) Working model for tomato SPA3 and also Arabidopsis SPA proteins in the regulation of UVR8 nuclear abundance.

　　上海交通大学已毕业博士生研究生张倩雯，在读博士生刘月为论文的共同第一作者，尹若贺副教授为论文通讯作者。上海交通大学林丽副研究员和张春丽助理研究员，以及北京大学朱丹萌研究员，希伯来大学 David Weiss教授和 布宜诺斯艾利斯大学的 Carlos L. Ballare教授等参与了本研究工作。本研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/tpj.17135