氧化石墨烯对植物病原真菌的杀菌机制研究

The antibacterial activity and molecular mechanisms of graphene oxide (GO) has aroused widespread interest among researchers in the world. However, most studies are focused on the antibacterial effect of GO on bacteria, and relative few reports are available about its antifungal effect and action mode on fungal pathogens. Our research group confirmed that GO showed superior antifungal activity against an important plant pathogenic fungi Fusarium graminearum (F. graminearum), but its underlying molecular mechanisms remain unknown. The main objective of the proposal is to determine if GO presents any real molecular mechanisms against F. graminearum. The physiological, biochemical, molecular responses and ultra-structural changes in the morphology of fungi will be investigated in detail. The possible acting sites and molecular mechanism of GO aginst F. graminearum will be explored. The findings of the project may offer new insights and references for controlling plant fungal pathogen or other pathogenic fungus.

氧化石墨烯（graphene oxide, GO）对细菌的杀菌活性及机制的发现，引起了各界学者的广泛关注，但 GO对真菌的杀菌活性及机制的研究还处于初步阶段。课题组在前期研究中发现GO能有效的抑制植物病原真菌禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum ）孢子萌发和菌丝的生物产量，但杀菌机制尚不明确。本项目拟在前期研究的基础上，以GO对F. graminearum孢子萌发及菌丝生物产量的影响为切入点，从生理生化、微观结构及分子水平探究菌体对GO的响应机制，并明确GO在菌体内部的作用位点和杀菌的分子机制。本项目的实施将填补GO对真菌杀菌活性及机制的研究空白，为植物病原真菌性病害及其他真菌性病原微生物的防控提供理论依据。

植物病原真菌杀菌分子机制鲜有报道。本项目从生理、基因、蛋白和代谢水平详细的探究了氧化石墨烯杀菌的分子机制。取得的结果如下：.1. 氧化石墨烯对菌体保护酶SOD、POD酶活性有一定的抑制作用，并可以显著地降低菌体可溶性蛋白和DNA含量。通过对菌体结构进行表征得知，氧化石墨烯的作用位点是菌体表面。.2. 氧化石墨烯抑制孢子萌发的主要机制是吸附在孢子表面的氧化石墨烯影响了孢子对水分的吸收。.3. 氧化石墨烯抑制菌丝生长的基因水平研究结果表明氧化石墨烯可使菌丝生长相关基因如β2 tubulin，MAPK1，FgCdc42-1, Rho1，RhoI-GTPase，Septins，Pod1，Pod2，Myo2和1,3-β-glucan synthase基因的表达水平下调，直接影响了菌丝的分支、生长及菌丝细胞壁的合成。.4. 氧化石墨烯对菌丝蛋白水平的影响结果表明，参与甘油酯代谢的蛋白质上调，菌丝的耗能减少；调控脂质运输和新陈代谢、核苷酸转运和代谢以及无机离子转运和代谢的相关蛋白表达下调，改变了细胞膜透性，细胞壁合成受阻；调控DNA合成相关蛋白表达下调，影响菌丝形成。.5. 氧化石墨烯对菌丝代谢水平的抑制机制发现氧化石墨烯处理菌丝后18种代谢物与GO处理的浓度呈相关性变化。胆碱等组成细胞膜的物质发生明显变化，进而影响细胞膜的透性；参与TCA循环等能量代谢中间产物升高，减少细胞内耗能的生物过程，维持细胞基本生命活动；嘧啶和嘌呤等代谢物的减少，降低DNA和RNA的合成，从而导致菌丝数量减少。.研究结果将为小麦赤霉病的防治及氧化石墨烯在植物保护领域的应用奠定理论基础。项目资助发表论文4篇，均为SCI收录。