纳米铁与铜对苜蓿壳二孢及其引致春季黑茎病的抑制与防治作用

doi:10.11686/cyxb2024157

草业学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (4): 201-211.DOI: 10.11686/cyxb2024157

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纳米铁与铜对苜蓿壳二孢及其引致春季黑茎病的抑制与防治作用

董拓轩¹^,²(), 陈训锋¹^,², 梅大海¹^,², 郭永莎¹^,², 魏旭红¹^,², 宋秋艳¹^,²()

^1.兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州 730020
^2.草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室，甘肃兰州 730020

收稿日期:2024-04-30 修回日期:2024-07-29 出版日期:2025-04-20 发布日期:2025-02-19
通讯作者: 宋秋艳
作者简介:Corresponding author. E-mail： sqy@lzu.edu.cn
董拓轩（2003-），男，甘肃兰州人，在读本科。E-mail： dongtx21@lzu.edu.cn
基金资助:
“十四五”重点研发计划(2023YFD1301202);甘肃省自然科学基金(23JRRA1076);国家自然科学基金(31901388);国家现代农业产业技术体系(CARS-34);兰州大学中央高校基本科研业务费(lzujbky-2024-ou15┫专项资金资助)

Inhibition and control effect of nano-iron and copper on Ascochyta medicaginicola and spring black stem disease

Tuo-xuan DONG¹^,²(), Xun-feng CHEN¹^,², Da-hai MEI¹^,², Yong-sha GUO¹^,², Xu-hong WEI¹^,², Qiu-yan SONG¹^,²()

^1.College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China
^2.State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems，Lanzhou 730020，China

Received:2024-04-30 Revised:2024-07-29 Online:2025-04-20 Published:2025-02-19
Contact: Qiu-yan SONG

摘要/Abstract

摘要：

紫花苜蓿是我国乃至世界上栽培面积最大的豆科牧草，由苜蓿壳二孢引致的春季黑茎病，是我国紫花苜蓿五大病害之一。纳米铜（Cu NPs）、纳米氢氧化铜［Cu（OH）₂ NPs］、纳米铁（Fe NPs）和具有核壳结构的纳米铁（Core-shell Fe NPs）对苜蓿壳二孢显示不同程度的抑菌作用，其中Cu NPs的抑制效果显著（400 mg·L^-1抑制率达到74.1%）；Cu NPs对苜蓿春季黑茎病具有显著的防效（先接种Cu NPs和先接种孢子悬浮液再接种Cu NPs这两种处理方式的相对病斑面积分别为5.95%和8.75%）；提前施加Cu NPs悬浮液紫花苜蓿叶片的相对电导率为18.11%，而接种苜蓿壳二孢处理之后叶片的相对电导率达到82.27%；Cu NPs处理的紫花苜蓿相较只接菌处理其超氧化物歧化酶（SOD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性显著下降，使多酚氧化酶（PPO）活性提高42.6%，过氧化氢酶（CAT）活性在先接种Cu NPs处理中下降45.8%；超微结构观察到Cu NPs处理的叶片中苜蓿壳二孢孢子细胞膜被刺穿破损，叶片叶绿体类囊体层次分明，细胞膜完整。本研究为Cu NPs防治苜蓿春季黑茎病提供理论依据。

关键词: 紫花苜蓿, 纳米铜, 苜蓿壳二孢, 抑制, 防治

Abstract:

Alfalfa （Medicago sativa）， the most extensively cultivated leguminous forage in China and globally， is susceptible to spring black stem disease caused by Ascochyta medicaginicola， one of the five most devastating diseases of alfalfa in China. Among various nanoparticles tested for their antifungal properties against A. medicaginicola， copper nanoparticles （Cu NPs） demonstrated the most pronounced inhibitory effect， with an inhibition rate of 74.1% at a concentration of 400 mg·L^-1. The application of Cu NPs also significantly mitigated the impact of spring black stem disease on alfalfa， reducing the relative lesion area to 5.95% when applied prior to inoculation with a spore suspension， and to 8.75% when applied after inoculation with a spore suspension. When alfalfa leaves were pre-treated with a Cu NPs suspension， the relative conductivity was only 18.11%， contrasting sharply with the 82.27% relative conductivity of alfalfa leaves inoculated with a spore suspension only. The enzymatic responses in Cu NPs-treated alfalfa were notable， with a significant decrease in the activities of superoxide dismutase and phenylalanine ammonia-lyase compared with the spore-inoculated control group. Conversely， the activity of polyphenol oxidase was increased by 42.6%， while catalase activity decreased by 45.0% in the first Cu NPs inoculation treatment. Ultrastructural analyses revealed that Cu NPs punctured and caused visible damage to the cell membrane of A. medicaginicola within alfalfa leaves. In contrast， the chloroplast thylakoids in the treated leaves remained clearly layered， indicating that alfalfa cell membrane integrity remained intact. These findings offer valuable insights into the potential use of Cu NPs as a control measure for alfalfa spring black stem disease.

Key words: Medicago sativa, Cu NPs, Ascochyta medicaginicola, inhibition, control effect

董拓轩, 陈训锋, 梅大海, 郭永莎, 魏旭红, 宋秋艳. 纳米铁与铜对苜蓿壳二孢及其引致春季黑茎病的抑制与防治作用[J]. 草业学报, 2025, 34(4): 201-211.

Tuo-xuan DONG, Xun-feng CHEN, Da-hai MEI, Yong-sha GUO, Xu-hong WEI, Qiu-yan SONG. Inhibition and control effect of nano-iron and copper on Ascochyta medicaginicola and spring black stem disease[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2025, 34(4): 201-211.

图/表 15

表2 不同浓度梯度Cu NPs培养基配方

Table 2 Formulations of Cu NPs medium with different concentration gradients

浓度 Concentration （mg·L^-1）	马铃薯 Potatoes （g）	无水葡萄糖 Anhydrous glucose （g）	琼脂 Agar （g）	纳米材料悬浮液 Nanomaterial suspension （1000 mg·L^-1， mL）	无菌水 Sterile water （mL）
0（空白CK）	4.0	0.4	0.4	0	20.0
25	4.0	0.4	0.4	8.0	12.0
50	4.0	0.4	0.4	4.0	16.0
100	4.0	0.4	0.4	2.0	18.0
200	4.0	0.4	0.4	1.0	19.0
400	4.0	0.4	0.4	0.5	19.5

表3 叶片处理方式

Table 3 Blade treatment

处理方式Treatment	接种顺序Vaccination sequence
空白CK	无菌水Sterile water （5 mL）→无菌水Sterile water （5 mL）
接菌Fungal inoculation	孢子悬浮液Spore suspensions （5 mL）→无菌水Sterile water （5 mL）
先注射菌→再注射纳米铜Inoculation of fungi→reinoculation with Cu NPs	孢子悬浮液Spore suspensions （5 mL）→纳米铜悬浮液Cu NPs suspension （5 mL）
先注射纳米铜→再注射菌Inoculation of Cu NPs→reinoculation with fungi	纳米铜悬浮液Cu NPs suspension （5 mL）→孢子悬浮液Spore suspensions （5 mL）

图1 不同纳米材料处理后第9天菌丝生长情况a：空白对照Blank control （CK）； b：纳米铁Fe NPs； c：核壳纳米铁Core-shell Fe NPs； d：纳米氢氧化铜Cu（OH）2 NPs； e：纳米铜Cu NPs.

Fig.1 Mycelial growth after treatment with different nanomaterials on 9th day

图2 不同纳米材料处理后菌丝生长直径不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著，下同Different lowercase letters indicate significant differences at P<0.05level， the same below. T1：空白对照Blank control （CK）； T2：纳米铜Cu NPs； T3：纳米氢氧化铜Cu（OH）2 NPs； T4：核壳纳米铁Core-shell Fe NPs； T5：纳米铁Fe NPs.

Fig.2 Diameter of mycelium growth after treatment with different nanomaterials

图3 第9天不同纳米材料菌丝生长抑制率T1：纳米铜Cu NPs； T2：纳米氢氧化铜Cu（OH）2 NPs； T3：核壳纳米铁Core-shell Fe NPs； T4：纳米铁Fe NPs.

Fig.3 Inhibition rate of mycelial growth of different nanomaterials on 9th day

图4 不同浓度Cu NPs处理后第9天菌丝生长情况a：空白对照Blank control； b： 400 mg·L-1； c： 200 mg·L-1； d： 100 mg·L-1； e： 50 mg·L-1； f： 25 mg·L-1.

Fig.4 Mycelial growth after treatment with different concentrations of Cu NPs on 9th day

图5 不同浓度Cu NPs处理后菌丝生长直径

Fig.5 Diameter of mycelium after treatment with different concentrations of Cu NPs

图6 第9天不同浓度Cu NPs菌丝生长抑制率

Fig.6 Inhibition rate of mycelial growth of Cu NPs at different concentrations on 9th day

图7 第9天不同浓度Cu NPs菌丝生长抑制率拟合曲线

Fig.7 Fitting curves of growth inhibition rate of Cu NPs hyphae at different concentrations on 9th day

图8 不同处理下叶片病斑a：空白对照Blank control； b：先接菌→再接Cu NPs Inoculation of fungi→reinoculation with Cu NPs； c：先接Cu NPs→再接菌Inoculation of Cu NPs→reinoculation with fungi； d：只接种菌Fungal inoculation only.

Fig.8 Leaf lesions under different treatments

图9 不同处理下叶片相对病斑面积T1：空白对照Blank control； T2：只接种菌Fungal inoculation only； T3：先注射Cu NPs→再注射菌Inoculation of Cu NPs→reinoculation with fungi； T4：先注射菌→再注射Cu NPs Inoculation of fungi→reinoculation with Cu NPs. 下同The same below.

Fig.9 Relative lesion area of leaves under different treatments

图10 不同处理下叶片相对电导率

Fig.10 Relative conductivity of blades under different treatments

图11 不同处理下叶片超氧化物歧化酶、苯丙氨酸解氨酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和过氧化物酶活性

Fig.11 Superoxide dismutase （SOD）， L-phenylalanine ammonia-lyase （PAL）， catalase （CAT）， polyphenol oxidase （PPO）， peroxidase （POD） enzyme activity in leaves under different treatments

图12 不同处理方式下接种叶片的苜蓿壳二孢孢子透射电镜a：先注射Cu NPs→再注射菌Inoculation of Cu NPs→reinoculation with fungi； b：先注射Cu NPs→再注射菌Inoculation of Cu NPs→reinoculation with fungi； c：只接种菌Fungal inoculation only； d：先注射菌→再注射Cu NPs Inoculation of fungi→reinoculation with Cu NPs.

Fig.12 Transmission electron microscopy （TEM） images of A. medicaginicola spores of inoculated leaves under different treatments

图13 不同处理方式下接种叶片的叶绿体透射电镜a：空白对照Blank control； b：只接种菌Fungal inoculation only； c：先注射菌→再注射Cu NPs Inoculation of fungi→reinoculation with Cu NPs； d：先注射Cu NPs→再注射菌 Inoculation of Cu NPs→reinoculation with fungi.

Fig.13 Chloroplast transmission electron microscopy （TEM） images of inoculated leaves under different treatments

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Inhibition and control effect of nano-iron and copper on Ascochyta medicaginicola and spring black stem disease

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